Il calcolo di ogni piccolo dominio è stato inserito come task indipendente in ogni CPU del supercomputer. Integrando questi risultati troviamo il percorso di migrazione nell'intero materiale. L'immagine della CPU nell'immagine è protetta da copyright e viene utilizzata da avaxhome.ws. Credito:Dr. Atsushi M. Ito
Una parte del recipiente a vuoto (il materiale di rivestimento del plasma) del dispositivo sperimentale di fusione e del futuro reattore a fusione entra in contatto con il plasma. Quando gli ioni plasma entrano nel materiale, quelle particelle diventano un atomo neutro e rimangono all'interno del materiale. Se visto dagli atomi che compongono il materiale, gli ioni del plasma che sono entrati diventano atomi di impurità. Gli atomi di impurità migrano lentamente negli interspazi tra gli atomi che compongono il materiale e alla fine, si diffondono all'interno del materiale. D'altra parte, alcuni atomi di impurità ritornano in superficie e vengono nuovamente emessi nel plasma. Per il confinamento stabile del plasma di fusione, l'equilibrio tra la penetrazione degli ioni plasma nel materiale e la riemissione degli atomi di impurità dopo la migrazione dall'interno del materiale diventa estremamente importante.
Il percorso di migrazione degli atomi di impurità all'interno di materiali con struttura cristallina ideale è stato ben chiarito in molte ricerche. Però, i materiali attuali hanno strutture policristalline, e quindi i percorsi migratori nelle regioni di confine del grano non erano ancora stati chiariti. Ulteriore, in un materiale che tocca continuamente il plasma, la struttura cristallina è rotta a causa dell'eccessiva incursione di ioni plasma. I percorsi di migrazione degli atomi di impurità all'interno di un materiale con una struttura cristallina disordinata non erano stati sufficientemente esaminati.
Il gruppo di ricerca del professor Atsushi Ito, degli Istituti Nazionali di Scienze Naturali NIFS, è riuscito a sviluppare un metodo per la ricerca automatica e rapida dei percorsi di migrazione in materiali con geometria atomica arbitraria attraverso la dinamica molecolare e calcoli paralleli in un supercomputer. Primo, eliminano un numero elevato di piccoli domini che coprono l'intero materiale.
All'interno di ogni piccolo dominio calcolano i percorsi di migrazione degli atomi di impurità attraverso la dinamica molecolare. Quei calcoli di piccoli domini saranno finiti in breve tempo perché la dimensione del dominio è piccola e il numero di atomi da trattare non è molti. Poiché i calcoli in ogni piccolo dominio possono essere condotti indipendentemente, i calcoli vengono eseguiti in parallelo utilizzando il supercomputer NIFS, il simulatore di plasma, e il sistema di supercomputer HELIOS presso il Centro di simulazione computazionale dell'International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Giappone. Sul simulatore di plasma, perché è possibile utilizzare 70, 000 core della CPU, calcoli simultanei oltre 70, 000 domini possono essere eseguiti. Combinando tutti i risultati del calcolo dai piccoli domini, si ottengono i percorsi di migrazione su tutto il materiale.
Tale metodo di parallelizzazione del super computer differisce da quello spesso utilizzato, ed è chiamata parallelizzazione di tipo MPMD3). Al NIFS, era stato proposto un metodo di simulazione che utilizza efficacemente la parallelizzazione di tipo MPMD. Combinando la parallelizzazione con le idee recenti sull'automazione, sono arrivati a un metodo di ricerca automatica ad alta velocità per il percorso di migrazione.
Il risultato della simulazione si basa sul metodo dinamico Monte Carlo4). All'interno del materiale di base del tungsteno, gli atomi la cui struttura è vicina al cristallo non vengono visualizzati, e gli atomi di tungsteno vicino al bordo del grano cristallino, che sono di deformazione fuori cristallo, vengono visualizzati come punti gialli e blu. Le tracce degli atomi di impurità che si muovono all'interno (in questo esempio, atomi di elio) sono visualizzati in bianco. Quindi per rendere visibili all'occhio umano le impurità che si muovono ad alta velocità, per indicare le tracce degli atomi di impurità abbiamo fatto assomigliare tutte le tracce ad una coda di lunghezza fissa, e stiamo cercando di esprimere quel movimento delle nuvole come "comportamento medio". Credito:Dr. Atsushi M. Ito
Utilizzando questo metodo, diventa possibile cercare facilmente il percorso di migrazione degli atomi di impurità per materiali reali che hanno bordi di grano cristallino o anche materiali la cui struttura cristallina diventa disordinata dal contatto di lunga durata con il plasma. Indagare il comportamento della migrazione collettiva degli atomi di impurità all'interno del materiale sulla base delle informazioni relative a questo percorso di migrazione, possiamo approfondire le nostre conoscenze sull'equilibrio delle particelle all'interno del plasma e del materiale. Pertanto sono previsti miglioramenti nel confinamento del plasma.
Questi risultati sono stati presentati nel maggio 2016 alla 22a Conferenza internazionale sull'interazione della superficie del plasma (PSI 22), e sarà pubblicato sulla rivista Materiali nucleari ed energia .
