Одна часть вакуумной камеры (плазменный материал) термоядерной экспериментальной установки и будущего термоядерного реактора вступает в контакт с плазмой. Когда ионы плазмы попадают в материал, эти частицы становятся нейтральными атомами и остаются внутри материала. Если смотреть на атомы, из которых состоит материал, попавшие ионы плазмы становятся атомами примесей. Атомы примеси медленно мигрируют в промежутках между атомами, составляющими материал, и в конечном итоге диффундируют внутрь материала. С другой стороны, часть атомов примеси возвращается на поверхность и снова эмитируется в плазму. Для устойчивого удержания термоядерной плазмы чрезвычайно важным становится баланс между проникновением ионов плазмы в материал и повторным излучением атомов примеси после миграции изнутри материала.

Путь миграции атомов примесей внутри материалов с идеальной кристаллической структурой хорошо изучен во многих исследованиях. Однако реальные материалы имеют поликристаллическую структуру, и пути миграции в зернограничных областях еще не выяснены. Кроме того, в материале, который постоянно контактирует с плазмой, кристаллическая структура нарушается из-за чрезмерного проникновения ионов плазмы. Пути миграции атомов примеси внутри материала с неупорядоченной кристаллической структурой изучены недостаточно.

Исследовательской группе профессора Ацуши Ито из Национального института естественных наук NIFS удалось разработать метод автоматического и быстрого поиска путей миграции в материалах с произвольной геометрией атомов посредством молекулярной динамики и параллельных вычислений на суперкомпьютере. Во-первых, они удаляют большое количество мелких доменов, покрывающих весь материал.

Внутри каждого небольшого домена они вычисляют пути миграции атомов примесей с помощью молекулярной динамики. Эти расчеты малых доменов будут завершены в ближайшее время, поскольку размер домена невелик, а число атомов, подлежащих обработке, невелико. Поскольку расчеты в каждой небольшой области могут проводиться независимо, расчеты выполняются параллельно с использованием суперкомпьютера NIFS, симулятора плазмы и суперкомпьютерной системы HELIOS в Центре вычислительного моделирования Международного исследовательского центра термоядерной энергии (IFERC-CSC), Аомори, Япония. В Plasma Simulator, поскольку можно использовать 70 000 ядер ЦП, можно выполнять одновременные вычисления над 70 000 доменами. Объединив все результаты расчетов для небольших областей, можно получить пути миграции по всему материалу.

Такой метод распараллеливания суперкомпьютера отличается от часто используемого и называется распараллеливанием типа MPMD3). В NIFS был предложен метод моделирования, который эффективно использует распараллеливание типа MPMD. Объединив распараллеливание с недавними идеями автоматизации, они пришли к высокоскоростному методу автоматического поиска пути миграции.

Используя этот метод, становится возможным легко искать путь миграции атомов примесей для реальных материалов, которые имеют границы кристаллических зерен, или даже материалов, кристаллическая структура которых становится неупорядоченной в результате длительного контакта с плазмой. Исследуя поведение коллективной миграции атомов примеси внутри материала на основе информации об этом пути миграции, мы можем углубить наши знания о балансе частиц внутри плазмы и материала. Таким образом, ожидаются улучшения в удержании плазмы.

Эти результаты были представлены в мае 2016 года на 22-й Международной конференции по взаимодействию с поверхностью плазмы (PSI 22) и будут опубликованы в журнале Nuclear Materials and Energy.