Hvordan bevæger urenheder sig i wolfram?

En del af vakuumbeholderen (det plasmavendte materiale) i fusionsforsøgsanordningen og den fremtidige fusionsreaktor kommer i kontakt med plasma. Når plasmaionerne trænger ind i materialet, disse partikler bliver et neutralt atom og bliver inde i materialet. Hvis det ses fra de atomer, der udgør materialet, de plasma-ioner, der trængte ind, bliver til urenhedsatomer. Urenhedsatomerne migrerer langsomt i mellemrummene mellem de atomer, der udgør materialet og til sidst, de diffunderer inde i materialet. På den anden side, nogle urenhedsatomer vender tilbage til overfladen og udsendes igen til plasmaet. Til stabil indeslutning af fusionsplasma, balancen mellem indtrængning af plasmaioner i materialet og genudsendelse af urenhedsatomer efter migration indefra materialet bliver ekstremt vigtig.

Migrationsvejen for urenhedsatomer inde i materialer med ideel krystalstruktur er blevet godt belyst i mange undersøgelser. Imidlertid, faktiske materialer har polykrystallinske strukturer, og så var vandringsveje i korngrænseregioner ikke blevet afklaret endnu. Yderligere, i et materiale, der konstant rører plasma, krystalstrukturen er brudt på grund af overdreven indtrængen af ​​plasmaioner. Migrationsvejene for urenhedsatomer inde i et materiale med en uordnet krystalstruktur var ikke blevet tilstrækkeligt undersøgt.

Forskergruppen af ​​professor Atsushi Ito, af National Institutes of Natural Sciences NIFS, er det lykkedes at udvikle en metode til automatisk og hurtig søgning vedrørende migrationsveje i materialer med vilkårlig atomgeometri gennem molekylær dynamik og parallelle beregninger i en supercomputer. Først, de udtager et utal af små domæner, der dækker hele materialet.

Inde i hvert lille domæne beregner de migrationsvejene for urenhedsatomer gennem molekylær dynamik. Disse beregninger af små domæner vil være færdige i løbet af kort tid, fordi størrelsen af ​​domænet er lille, og antallet af atomer, der skal behandles, ikke er mange. Fordi beregningerne i hvert lille domæne kan udføres uafhængigt, beregninger udføres parallelt ved hjælp af NIFS-supercomputeren, plasmasimulatoren, og HELIOS-supercomputersystemet ved Computational Simulation Center of International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Japan. På plasmasimulatoren, fordi det er muligt at bruge 70, 000 CPU-kerner, samtidige beregninger over 70, 000 domæner kan udføres. Ved at kombinere alle beregningsresultaterne fra de små domæner, migrationsvejene over hele materialet opnås.

En sådan paralleliseringsmetode for supercomputer adskiller sig fra den, der ofte bruges, og kaldes MPMD3)-type parallelisering. Hos NIFS, en simuleringsmetode, der effektivt bruger MPMD-type parallelisering, var blevet foreslået. Ved at kombinere paralleliseringen med nyere ideer om automatisering, de er nået frem til en højhastigheds automatisk søgemetode for migrationsstien.

Ved at bruge denne metode, det bliver muligt let at søge urenhedsatomernes migrationsvej efter faktiske materialer, der har krystalkorngrænser eller endda materialer, hvis krystalstruktur bliver forstyrret af langvarig kontakt med plasma. Undersøgelse af adfærden for kollektiv migration af urenhedsatomer inde i materiale baseret på information om denne migrationsvej, vi kan uddybe vores viden om partikelbalancen inde i plasmaet og materialet. Der forventes således forbedringer i plasmaindeslutning.

Disse resultater blev præsenteret i maj 2016 på den 22. internationale konference om plasmaoverfladeinteraktion (PSI 22), og vil blive offentliggjort i tidsskriftet Nukleare materialer og energi .