杂质如何在钨中移动？

融合实验装置和未来的聚变反应器的真空容器(等离子体面材料)的一部分与等离子体接触。当等离子体离子进入材料时，这些颗粒变成中性原子并留在材料内。如果从构成材料的原子看到，进入的等离子体离子成为杂质原子。杂质原子在构成材料的原子之间的间隙中缓慢迁移，最终，它们在材料内部扩散。另一方面，一些杂质原子返回到表面并再次发射到等离子体。为了稳定地限制聚变等离子体，等离子体离子渗透到材料中和从材料内部迁移后杂质原子的再发射之间的平衡变得极其重要。在许多研究中已经很好地阐明了具有理想晶体结构的材料内杂质原子的迁移路径。然而，实际材料具有多晶结构，然后晶界2)区域的迁移路径尚未阐明。此外，在连续接触等离子体的材料中，由于等离子体离子的过度侵入，晶体结构被破坏。尚未充分研究具有无序晶体结构的材料内的杂质原子的迁移路径。由于等离子体离子的过度侵入，晶体结构被破坏。尚未充分研究具有无序晶体结构的材料内的杂质原子的迁移路径。由于等离子体离子的过度侵入，晶体结构被破坏。尚未充分研究具有无序晶体结构的材料内的杂质原子的迁移路径。

美国国立自然科学研究院NIFS教授Atsushi Ito的研究小组成功地开发了一种通过分子动力学和超级计算机中的并行计算，自动和快速搜索具有任意原子几何形状的材料中的迁移路径的方法。首先，它们取出了涵盖整个材料的众多小域。在每个小域内，他们通过分子动力学计算杂质原子的迁移路径。小域的计算将在短时间内完成，因为域的大小很小并且要处理的原子数不多。因为每个小域中的计算可以独立进行，所以使用NIFS超级计算机，等离子体模拟器，并行执行计算，和日本青森国际聚变能研究中心(IFERC-CSC)计算模拟中心的HELIOS超级计算机系统。在等离子模拟器上，由于可以使用70,000个CPU内核，因此可以同时执行超过70,000个域的计算。结合来自小域的所有计算结果，获得整个材料上的迁移路径。这种超级计算机的并行化方法与常用的并行化方法不同，称为MPMD3)型并行化。获得整个材料上的迁移路径。这种超级计算机的并行化方法与常用的并行化方法不同，称为MPMD3)型并行化。获得整个材料上的迁移路径。这种超级计算机的并行化方法与常用的并行化方法不同，称为MPMD3)型并行化。

在NIFS，已经提出了一种有效使用MPMD型并行化的仿真方法。通过将并行化与最近关于自动化的想法相结合，他们已经实现了迁移路径的高速自动搜索方法。通过利用该方法，可以容易地搜索具有晶粒边界的实际材料的杂质原子的迁移路径，或者甚至通过与等离子体的长时间接触使晶体结构变得无序的材料。根据有关该迁移路径的信息，研究材料中杂质原子的集体迁移行为，我们可以加深对等离子体和材料内部颗粒平衡的认识。因此预期等离子体限制的改善。

这些结果于2016年5月在第22届国际等离子体表面相互作用会议(PSI 22)上公布，并将发表在“ 核材料与能源 ”杂志上。

等离子体 - 在聚变研究中的材料相互作用被研究作为追求墙体材料的长期稳固性的目标。作为熔合之外的领域，研究相互作用的目的是开发主动使用等离子体的处理技术，如半导体和表面涂层的处理等。本研究中所示的自动研究方法，用于接触等离子体的材料中杂质原子的迁移路径，目前正在考虑将其应用于使用这种类型等离子体的材料加工。该方法因为它可以通常用于杂质原子和添加剂材料原子的迁移，因此可以预期用于交叉场的广泛应用。

词汇解释：

1)分子动力学：

用于原子或分子物理运动的计算机模拟方法。我们通过原子间势来近似原子和分子之间的相互作用，并通过数值求解牛顿运动方程来确定每个粒子的轨道。

2)晶粒边界：

许多材料不是单一的漂亮晶体(单晶)，而是由许多小晶粒(几种晶体)形成的结构。我们将两个或多个晶体之间的边界称为晶粒边界。在钨的情况下，形成多晶的晶粒的尺寸约为1μm(微米)。

3)MPMD

多程序多数据的缩写。通常，并行化技术是单程序多数据(SPMD)，它适用于众多CPU中的单个程序。另一方面，在MPMD中，由控制程序管理的许多程序被应用于众多CPU。因此，与SPMD相比，可以更有效地使用计算资源。

4)动态蒙特卡罗方法

使用随机数的计算机模拟技术通常称为蒙特卡罗方法。动态蒙特卡罗方法是一种模拟方法，以统计力学和随机过程理论为基础，建立每个现象的发生频率(转移概率)，追求转移概率的时间发展。