El cálculo de cada pequeño dominio se ha introducido como una tarea independiente en cada CPU del superordenador. Al integrar esos resultados, encontramos la ruta de migración en todo el material. La imagen de la CPU en la imagen tiene derechos de autor y se utiliza de avaxhome.ws. Crédito:Dr. Atsushi M. Ito
Una parte del recipiente de vacío (el material de revestimiento del plasma) del dispositivo experimental de fusión y el futuro reactor de fusión entra en contacto con el plasma. Cuando los iones de plasma entran en el material, esas partículas se convierten en un átomo neutro y permanecen dentro del material. Si se ve desde los átomos que componen el material, los iones de plasma que entraron se convierten en átomos de impureza. Los átomos de impurezas migran lentamente en espacios intermedios entre los átomos que componen el material y, finalmente, se difunden dentro del material. Por otra parte, algunos átomos de impurezas regresan a la superficie y se emiten nuevamente al plasma. Para el confinamiento estable del plasma de fusión, el equilibrio entre la penetración de iones de plasma en el material y la reemisión de átomos de impurezas después de la migración desde el interior del material se vuelve extremadamente importante.
La ruta de migración de los átomos de impurezas dentro de materiales con estructura cristalina ideal ha sido bien aclarada en muchas investigaciones. Sin embargo, los materiales reales tienen estructuras policristalinas, y aún no se habían aclarado las rutas de migración en las regiones fronterizas de cereales. Más lejos, en un material que toca continuamente el plasma, la estructura cristalina se rompe debido a la excesiva incursión de iones de plasma. Las rutas de migración de los átomos de impurezas dentro de un material con una estructura cristalina desordenada no se habían examinado suficientemente.
El grupo de investigación del profesor Atsushi Ito, de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales NIFS, ha logrado desarrollar un método para la búsqueda automática y rápida de trayectorias de migración en materiales con geometría atómica arbitraria mediante dinámica molecular y cálculos paralelos en una supercomputadora. Primero, eliminan un gran número de pequeños dominios que cubren todo el material.
Dentro de cada pequeño dominio, calculan las rutas de migración de los átomos de impurezas a través de la dinámica molecular. Esos cálculos de dominios pequeños se terminarán en poco tiempo porque el tamaño del dominio es pequeño y la cantidad de átomos a tratar no es mucha. Debido a que los cálculos en cada dominio pequeño se pueden realizar de forma independiente, los cálculos se realizan en paralelo utilizando la supercomputadora NIFS, el simulador de plasma, y el sistema de supercomputación HELIOS en el Centro de Simulación Computacional del Centro Internacional de Investigación de Energía de Fusión (IFERC-CSC), Aomori, Japón. En el Plasma Simulator, porque es posible utilizar 70, 000 núcleos de CPU, cálculos simultáneos superiores a 70, Se pueden realizar 000 dominios. Combinando todos los resultados de los cálculos de los dominios pequeños, Se obtienen las rutas de migración sobre todo el material.
Tal método de paralelización de supercomputadora difiere del que se usa a menudo, y se denomina paralelización de tipo MPMD3). En NIFS, Se ha propuesto un método de simulación que utiliza eficazmente la paralelización del tipo MPMD. Combinando la paralelización con ideas recientes sobre automatización, han llegado a un método de búsqueda automática de alta velocidad para la ruta de migración.
El resultado de la simulación se basa en el método dinámico de Monte Carlo4). Dentro del material base del tungsteno, los átomos cuya estructura está cerca del cristal no se muestran, y los átomos de tungsteno cerca del límite del grano de cristal, que son de deformación fuera del cristal, se muestran como puntos de color amarillo y azul. Las huellas de los átomos de impurezas que se mueven hacia adentro (en este ejemplo, átomos de helio) se muestran en blanco. Entonces, para que las impurezas que se mueven a alta velocidad sean visibles para el ojo humano, para indicar las pistas de los átomos de impureza, hemos hecho que todas las pistas se parezcan a una cola con una longitud fija, y buscamos expresar ese movimiento de nubes como "comportamiento promedio". Crédito:Dr. Atsushi M. Ito
Al utilizar este método, Es posible buscar fácilmente en la ruta de migración de los átomos de impurezas materiales reales que tengan límites de granos de cristal o incluso materiales cuya estructura cristalina se altere por el contacto de larga duración con el plasma. Investigar el comportamiento de la migración colectiva de átomos de impurezas dentro del material basado en información sobre esta ruta de migración, podemos profundizar nuestro conocimiento sobre el equilibrio de partículas dentro del plasma y el material. Por tanto, se anticipan mejoras en el confinamiento del plasma.
Estos resultados se presentaron en mayo de 2016 en la 22a Conferencia Internacional sobre la Interacción de la Superficie de Plasma (PSI 22), y será publicado en la revista Energía y materiales nucleares .
