Le calcul de chaque petit domaine a été entré en tant que tâche indépendante dans chaque CPU du supercalculateur. En intégrant ces résultats, nous trouvons le chemin de migration dans l'ensemble du matériau. L'image du processeur dans l'image est protégée par le droit d'auteur et est utilisée à partir d'avaxhome.ws. Crédit :Dr Atsushi M. Ito
Une partie de l'enceinte à vide (le matériau faisant face au plasma) du dispositif expérimental de fusion et du futur réacteur de fusion entre en contact avec le plasma. Lorsque les ions du plasma pénètrent dans le matériau, ces particules deviennent un atome neutre et restent à l'intérieur du matériau. Vu des atomes qui composent le matériau, les ions du plasma qui sont entrés deviennent des atomes d'impuretés. Les atomes d'impuretés migrent lentement dans les espaces entre les atomes qui composent le matériau et finalement, ils diffusent à l'intérieur du matériau. D'autre part, certains atomes d'impuretés retournent à la surface et sont à nouveau émis vers le plasma. Pour le confinement stable du plasma de fusion, l'équilibre entre la pénétration des ions plasma dans le matériau et la réémission d'atomes d'impuretés après migration depuis l'intérieur du matériau devient extrêmement important.
Le chemin de migration des atomes d'impuretés à l'intérieur des matériaux avec une structure cristalline idéale a été bien élucidé dans de nombreuses recherches. Cependant, les matériaux réels ont des structures polycristallines, et puis les chemins de migration dans les régions de joints de grains n'avaient pas encore été clarifiés. Plus loin, dans un matériau qui touche en permanence le plasma, la structure cristalline est brisée en raison de l'incursion excessive des ions du plasma. Les chemins de migration des atomes d'impuretés à l'intérieur d'un matériau à structure cristalline désordonnée n'avaient pas été suffisamment examinés.
Le groupe de recherche du professeur Atsushi Ito, des Instituts Nationaux des Sciences Naturelles NIFS, a réussi à développer une méthode de recherche automatique et rapide concernant les chemins de migration dans les matériaux ayant une géométrie d'atome arbitraire par le biais de la dynamique moléculaire et des calculs parallèles dans un superordinateur. D'abord, ils prennent un grand nombre de petits domaines qui couvrent l'ensemble du matériel.
A l'intérieur de chaque petit domaine, ils calculent les chemins de migration des atomes d'impuretés à travers la dynamique moléculaire. Ces calculs de petits domaines seront terminés en peu de temps car la taille du domaine est petite et le nombre d'atomes à traiter n'est pas grand. Étant donné que les calculs dans chaque petit domaine peuvent être effectués indépendamment, les calculs sont effectués en parallèle à l'aide du supercalculateur NIFS, le Simulateur Plasma, et le système de supercalculateur HELIOS du Centre de simulation numérique du Centre international de recherche sur l'énergie de fusion (IFERC-CSC), Aomori, Japon. Sur le simulateur plasma, car il est possible d'en utiliser 70, 000 cœurs de processeur, calculs simultanés sur 70, 000 domaines peuvent être exécutés. En combinant tous les résultats de calcul des petits domaines, les chemins de migration sur l'ensemble du matériau sont obtenus.
Une telle méthode de parallélisation de super ordinateur diffère de celle souvent utilisée, et est appelée parallélisation de type MPMD3). Chez NIFS, une méthode de simulation utilisant efficacement la parallélisation de type MPMD avait été proposée. En combinant la parallélisation avec des idées récentes en matière d'automatisation, ils sont arrivés à une méthode de recherche automatique à grande vitesse pour le chemin de migration.
Le résultat de la simulation est basé sur la méthode dynamique de Monte Carlo4). À l'intérieur du matériau de base du tungstène, les atomes dont la structure est proche du cristal ne sont pas affichés, et les atomes de tungstène près de la limite des grains cristallins, qui sont de déformation hors cristal, sont affichés sous forme de points de couleur jaune et bleu. Les traces des atomes d'impuretés se déplaçant à l'intérieur (dans cet exemple, atomes d'hélium) sont affichés en blanc. Donc, pour rendre les impuretés se déplaçant à grande vitesse visibles à l'œil humain, afin d'indiquer les traces des atomes d'impuretés, nous avons fait en sorte que toutes les traces ressemblent à une queue de longueur fixe, et nous cherchons à exprimer ce mouvement des nuages en tant que "comportement moyen". Crédit :Dr Atsushi M. Ito
En utilisant cette méthode, il devient possible de rechercher facilement le chemin de migration des atomes d'impuretés pour des matériaux réels qui ont des joints de grains cristallins ou même des matériaux dont la structure cristalline devient désordonnée par un contact de longue durée avec le plasma. Enquêter sur le comportement de la migration collective des atomes d'impuretés à l'intérieur du matériau sur la base des informations concernant ce chemin de migration, nous pouvons approfondir nos connaissances sur l'équilibre des particules à l'intérieur du plasma et du matériau. Ainsi, des améliorations du confinement du plasma sont attendues.
Ces résultats ont été présentés en mai 2016 lors de la 22ème Conférence Internationale sur l'Interaction Plasma Surface (PSI 22), et sera publié dans la revue Matières nucléaires et énergie .
