En del av vakuumkärlet (materialet mot plasma) i fusionsexperimentanordningen och framtida fusionsreaktor kommer i kontakt med plasma. När plasmajonerna kommer in i materialet blir dessa partiklar en neutral atom och stannar inuti materialet. Sett från atomerna som utgör materialet blir plasmajonerna som kommer in till föroreningsatomer. Föroreningsatomerna migrerar långsamt i mellanrummen mellan atomerna som utgör materialet och så småningom diffunderar de in i materialet. Å andra sidan återvänder vissa föroreningsatomer till ytan och emitteras igen till plasman. För den stabila inneslutningen av fusionsplasma blir balansen mellan penetrationen av plasmajoner i materialet och återutsläppet av föroreningsatomer efter migrering inifrån materialet extremt viktig.

Migrationsvägen för föroreningsatomer inuti material med idealisk kristallstruktur har belysts väl i många undersökningar. Men faktiska material har polykristallina strukturer, och då hade migrationsvägar i korngränsområden inte klargjorts ännu. Vidare, i ett material som kontinuerligt berör plasma, bryts kristallstrukturen på grund av överdrivet intrång av plasmajoner. Migrationsvägarna för föroreningsatomer inuti ett material med en oordnad kristallstruktur hade inte undersökts tillräckligt.

Forskargruppen till professor Atsushi Ito, från National Institutes of Natural Sciences NIFS, har lyckats utveckla en metod för automatisk och snabb sökning av migrationsvägar i material med godtycklig atomgeometri genom molekylär dynamik och parallella beräkningar i en superdator. Först tar de ut ett stort antal små domäner som täcker hela materialet.

Inuti varje liten domän beräknar de migrationsvägarna för föroreningsatomer genom molekylär dynamik. Dessa beräkningar av små domäner kommer att vara klara på kort tid eftersom storleken på domänen är liten och antalet atomer som ska behandlas inte är många. Eftersom beräkningarna i varje liten domän kan utföras oberoende, utförs beräkningar parallellt med NIFS-superdatorn, plasmasimulatorn och HELIOS-superdatorsystemet vid Computational Simulation Center vid International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Japan. På Plasma Simulator, eftersom det är möjligt att använda 70 000 CPU-kärnor, kan samtidiga beräkningar över 70 000 domäner utföras. Genom att kombinera alla beräkningsresultat från de små domänerna erhålls migrationsvägarna över hela materialet.

En sådan parallelliseringsmetod för superdatorer skiljer sig från den som ofta används och kallas parallellisering av MPMD3)-typ. Vid NIFS hade en simuleringsmetod som effektivt använder MPMD-typ parallellisering föreslagits. Genom att kombinera parallelliseringen med nya idéer om automatisering har de kommit fram till en höghastighets automatisk sökmetod för migreringsvägen.

Genom att använda denna metod blir det möjligt att lätt söka i migrationsvägen för föroreningsatomer efter faktiska material som har kristallkorngränser eller till och med material vars kristallstruktur blir störd av långvarig kontakt med plasma. Genom att undersöka beteendet för kollektiv migration av föroreningsatomer inuti material baserat på information om denna migrationsväg, kan vi fördjupa vår kunskap om partikelbalansen inuti plasmat och materialet. Således förväntas förbättringar i plasmainneslutning.

Dessa resultat presenterades i maj 2016 vid den 22:a internationella konferensen om Plasma Surface Interaction (PSI 22), och kommer att publiceras i tidskriften Nuclear Materials and Energy.