Jedna časť vákuovej nádoby (plazmový obkladový materiál) fúzneho experimentálneho zariadenia a budúceho fúzneho reaktora prichádza do kontaktu s plazmou. Keď plazmové ióny vstúpia do materiálu, tieto častice sa stanú neutrálnym atómom a zostanú vo vnútri materiálu. Pri pohľade z atómov, ktoré tvoria materiál, sa plazmové ióny, ktoré vstúpili, stanú atómami nečistôt. Atómy nečistôt pomaly migrujú v medzipriestoroch medzi atómami, ktoré tvoria materiál, a nakoniec sa rozptyľujú vo vnútri materiálu. Na druhej strane sa niektoré atómy nečistôt vracajú na povrch a sú opäť emitované do plazmy. Pre stabilné zadržiavanie fúznej plazmy je mimoriadne dôležitá rovnováha medzi penetráciou plazmových iónov do materiálu a reemisiou atómov nečistôt po migrácii zvnútra materiálu.

Migračná cesta atómov nečistôt vo vnútri materiálov s ideálnou kryštálovou štruktúrou bola dobre objasnená v mnohých výskumoch. Skutočné materiály však majú polykryštalické štruktúry a migračné cesty v oblastiach hraníc zŕn ešte neboli objasnené. Ďalej, v materiáli, ktorý sa nepretržite dotýka plazmy, je kryštálová štruktúra porušená v dôsledku nadmerného vniknutia plazmových iónov. Migračné cesty atómov nečistôt vo vnútri materiálu s neusporiadanou kryštálovou štruktúrou neboli dostatočne preskúmané.

Výskumnej skupine profesora Atsushi Ita z Národných inštitútov prírodných vied NIFS sa podarilo vyvinúť metódu automatického a rýchleho vyhľadávania migračných ciest v materiáloch s ľubovoľnou geometriou atómov prostredníctvom molekulárnej dynamiky a paralelných výpočtov v superpočítači. Najprv vyberú množstvo malých domén, ktoré pokrývajú celý materiál.

Vo vnútri každej malej domény počítajú migračné cesty atómov nečistôt prostredníctvom molekulárnej dynamiky. Tieto výpočty malých domén budú hotové v krátkom čase, pretože veľkosť domény je malá a počet atómov, ktoré sa majú spracovať, nie je veľa. Pretože výpočty v každej malej doméne možno vykonávať nezávisle, výpočty sa vykonávajú paralelne pomocou superpočítača NIFS, plazmového simulátora a superpočítačového systému HELIOS v Centre výpočtovej simulácie Medzinárodného centra pre výskum energie jadrovej syntézy (IFERC-CSC), Aomori, Japonsko. Na Plasma Simulator, pretože je možné použiť 70 000 jadier CPU, je možné vykonávať simultánne výpočty cez 70 000 domén. Kombináciou všetkých výsledkov výpočtov z malých domén sa získajú migračné cesty cez celý materiál.

Takáto paralelizačná metóda superpočítača sa líši od tej, ktorá sa často používa, a nazýva sa paralelizácia typu MPMD3). Na NIFS bola navrhnutá simulačná metóda, ktorá efektívne využíva paralelizáciu typu MPMD. Spojením paralelizácie s nedávnymi nápadmi týkajúcimi sa automatizácie dospeli k vysokorýchlostnej metóde automatického vyhľadávania pre migračnú cestu.

Využitím tejto metódy je možné ľahko vyhľadávať migračnú cestu atómov nečistôt pre skutočné materiály, ktoré majú hranice kryštálových zŕn, alebo dokonca materiály, ktorých kryštálová štruktúra je narušená dlhodobým kontaktom s plazmou. Skúmaním správania kolektívnej migrácie atómov nečistôt vo vnútri materiálu na základe informácií o tejto migračnej ceste môžeme prehĺbiť naše znalosti o rovnováhe častíc vo vnútri plazmy a materiálu. Očakáva sa teda zlepšenie zadržiavania plazmy.

Tieto výsledky boli prezentované v máji 2016 na 22. medzinárodnej konferencii o interakcii plazmového povrchu (PSI 22) a budú publikované v časopise Nuclear Materials and Energy.