Uma parte do recipiente de vácuo (o material de revestimento do plasma) do dispositivo experimental de fusão e do futuro reator de fusão entra em contato com o plasma. Quando os íons de plasma entram no material, essas partículas se tornam um átomo neutro e permanecem dentro do material. Se vistos a partir dos átomos que compõem o material, os íons de plasma que entraram tornam-se átomos de impureza. Os átomos de impureza migram lentamente nos interespaços entre os átomos que compõem o material e eventualmente se difundem no interior do material. Por outro lado, alguns átomos de impureza retornam à superfície e são novamente emitidos para o plasma. Para o confinamento estável do plasma de fusão, o equilíbrio entre a penetração dos íons do plasma no material e a reemissão de átomos de impureza após a migração do interior do material torna-se extremamente importante.

O caminho de migração de átomos de impurezas dentro de materiais com estrutura cristalina ideal foi bem elucidado em muitas pesquisas. No entanto, os materiais reais possuem estruturas policristalinas e os caminhos de migração nas regiões de fronteira de grãos ainda não foram esclarecidos. Além disso, em um material que toca continuamente o plasma, a estrutura cristalina é quebrada devido à incursão excessiva de íons de plasma. Os caminhos de migração dos átomos de impureza dentro de um material com uma estrutura cristalina desordenada não foram suficientemente examinados.

O grupo de pesquisa do professor Atsushi Ito, do Instituto Nacional de Ciências Naturais NIFS, conseguiu desenvolver um método para busca automática e rápida de caminhos de migração em materiais com geometria atômica arbitrária por meio de dinâmica molecular e cálculos paralelos em um supercomputador. Primeiro, eles retiram um grande número de pequenos domínios que cobrem todo o material.

Dentro de cada pequeno domínio eles calculam os caminhos de migração dos átomos de impureza através da dinâmica molecular. Esses cálculos de pequenos domínios serão concluídos em pouco tempo porque o tamanho do domínio é pequeno e o número de átomos a serem tratados não é grande. Como os cálculos em cada pequeno domínio podem ser realizados de forma independente, os cálculos são realizados em paralelo usando o supercomputador NIFS, o Simulador de Plasma e o sistema de supercomputador HELIOS no Centro de Simulação Computacional do Centro Internacional de Pesquisa em Energia de Fusão (IFERC-CSC), Aomori, Japão. No Simulador de Plasma, por ser possível utilizar 70.000 núcleos de CPU, podem ser realizados cálculos simultâneos em mais de 70.000 domínios. Combinando todos os resultados dos cálculos dos pequenos domínios, são obtidos os caminhos de migração sobre todo o material.

Esse método de paralelização de supercomputador difere daquele frequentemente usado e é chamado de paralelização do tipo MPMD3). No NIFS, foi proposto um método de simulação que utiliza efetivamente a paralelização do tipo MPMD. Ao combinar a paralelização com ideias recentes sobre automatização, eles chegaram a um método de busca automática de alta velocidade para o caminho de migração.

Ao utilizar este método, torna-se possível pesquisar facilmente o caminho de migração dos átomos de impureza para materiais reais que possuem limites de grãos cristalinos ou mesmo materiais cuja estrutura cristalina fica desordenada pelo contato de longa duração com o plasma. Investigando o comportamento da migração coletiva de átomos de impureza dentro do material com base nas informações dessa rota de migração, podemos aprofundar nosso conhecimento sobre o equilíbrio das partículas dentro do plasma e do material. Assim, são antecipadas melhorias no confinamento do plasma.

Esses resultados foram apresentados em maio de 2016 na 22ª Conferência Internacional sobre Interação de Superfícies Plasmáticas (PSI 22) e serão publicados na revista Nuclear Materials and Energy.