O cálculo de cada pequeno domínio foi inserido como uma tarefa independente em cada CPU do supercomputador. Ao integrar esses resultados, encontramos o caminho de migração em todo o material. A imagem da CPU na imagem é protegida por direitos autorais e é usada em avaxhome.ws. Crédito:Dr. Atsushi M. Ito
Uma parte do recipiente de vácuo (o material de revestimento do plasma) do dispositivo experimental de fusão e o futuro reator de fusão entram em contato com o plasma. Quando os íons de plasma entram no material, essas partículas se tornam um átomo neutro e permanecem dentro do material. Se visto a partir dos átomos que compõem o material, os íons de plasma que entraram tornam-se átomos de impureza. Os átomos de impureza migram lentamente nos interespaços entre os átomos que compõem o material e, eventualmente, eles se difundem dentro do material. Por outro lado, alguns átomos de impureza voltam à superfície e são novamente emitidos para o plasma. Para o confinamento estável do plasma de fusão, o equilíbrio entre a penetração de íons de plasma no material e a reemissão de átomos de impureza após a migração de dentro do material torna-se extremamente importante.
O caminho de migração de átomos de impureza dentro de materiais com estrutura cristalina ideal foi bem elucidado em muitas pesquisas. Contudo, materiais reais têm estruturas policristalinas, e os caminhos de migração nas regiões de fronteira de grãos ainda não foram esclarecidos. Avançar, em um material que toca continuamente o plasma, a estrutura cristalina é quebrada devido à incursão excessiva de íons de plasma. Os caminhos de migração de átomos de impureza dentro de um material com uma estrutura cristalina desordenada não foram suficientemente examinados.
O grupo de pesquisa do Professor Atsushi Ito, dos Institutos Nacionais de Ciências Naturais NIFS, conseguiu desenvolver um método para busca automática e rápida de caminhos de migração em materiais com geometria de átomo arbitrária por meio de dinâmica molecular e cálculos paralelos em um supercomputador. Primeiro, eles retiram um grande número de pequenos domínios que cobrem todo o material.
Dentro de cada pequeno domínio, eles calculam os caminhos de migração de átomos de impureza por meio da dinâmica molecular. Esses cálculos de pequenos domínios serão concluídos em pouco tempo porque o tamanho do domínio é pequeno e o número de átomos a serem tratados não é muito. Como os cálculos em cada pequeno domínio podem ser realizados de forma independente, cálculos são realizados em paralelo usando o supercomputador NIFS, o Simulador de Plasma, e o sistema de supercomputador HELIOS no Centro de Simulação Computacional do Centro Internacional de Pesquisa de Energia de Fusão (IFERC-CSC), Aomori, Japão. No Simulador de Plasma, porque é possível usar 70, 000 núcleos de CPU, cálculos simultâneos acima de 70, 000 domínios podem ser executados. Combinando todos os resultados do cálculo dos pequenos domínios, os caminhos de migração ao longo de todo o material são obtidos.
Esse método de paralelização de supercomputador difere daquele frequentemente usado, e é chamado de paralelização do tipo MPMD3). No NIFS, um método de simulação que efetivamente usa a paralelização do tipo MPMD foi proposto. Ao combinar a paralelização com ideias recentes sobre automatização, eles chegaram a um método de pesquisa automática de alta velocidade para o caminho de migração.
O resultado da simulação é baseado no método dinâmico de Monte Carlo4). Dentro do material de base do tungstênio, os átomos cuja estrutura está perto do cristal não são exibidos, e os átomos de tungstênio perto do limite do grão de cristal, que são de deformação fora do cristal, são exibidos como pontos amarelos e azuis. As trilhas dos átomos de impureza se movendo para dentro (neste exemplo, átomos de hélio) são exibidos em branco. Então, para tornar as impurezas que se movem em alta velocidade visíveis ao olho humano, a fim de indicar os rastros dos átomos de impureza, fizemos todos os rastros se assemelharem a uma cauda de comprimento fixo, e estamos procurando expressar esse movimento das nuvens como "comportamento médio". Crédito:Dr. Atsushi M. Ito
Ao utilizar este método, torna-se possível pesquisar facilmente o caminho de migração de átomos de impureza para materiais reais que têm limites de grãos de cristal ou mesmo materiais cuja estrutura cristalina se torna desordenada pelo contato de longa duração com o plasma. Investigar o comportamento da migração coletiva de átomos de impureza dentro do material com base nas informações sobre este caminho de migração, podemos aprofundar nosso conhecimento sobre o equilíbrio das partículas dentro do plasma e do material. Assim, melhorias no confinamento do plasma são antecipadas.
Estes resultados foram apresentados em maio de 2016 na 22ª Conferência Internacional sobre Interação de Superfície de Plasma (PSI 22), e será publicado na revista Materiais Nucleares e Energia .
