Ильгисонис Виктор Игоревич
Доктор физико-математических наук
Профессор, Директор,
институт физических исследований и технологий
Движение вперёд.
1981
Окончил с отличием Московский физико-технический институт, специальность – «Экспериментальная ядерная физика», квалификация – «инженер-физик».
1981 - 1984
Аспирант Института атомной энергии им. И.В. Курчатова.
1984 - 2017
Прошел путь от младшего научного сотрудника до директора Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».
1987
Защитил кандидатскую диссертацию на тему "Устойчивость плазмы в замкнутых магнитных ловушках с локализованным МГД-стабилизатором".
1996
Стажировка в институте физики плазмы Фундаментальных исследований по вопросам материи (ФОМ) (англ.: The Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM) Institute for Plasma Physics), Нивехайн, Нидерланды.
1997
Стажировка в Математическом институте им. Куранта, Нью-Йорк, США (англ.: The Courant Institute of Mathematical Sciences, CIMS).
1999 - 2001
Читал курс лекций на кафедре математики физического факультета в МГУ им. М.В. Ломоносова.
2004
Присвоена степень доктора физико-математических наук. Защитил докторскую диссертацию "Магнитогидродинамические модели плазмы: лагранжевы свойства и проблема устойчивости".
2007 - н.в.
Заведующий кафедрой, директор научно-образовательного института физических исследований и технологий РУДН.
2002 - 2018
Доцент, профессор кафедры физики плазмы факультета экспериментальной и теоретической физики Национального исследовательского ядерного университета Московского инженерно-физического института (НИЯУ МИФИ).
2017 - н.в.
Директор направления научно-технических исследований и разработок Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».
Преподавание
Читает магистрантам РУДН, МГУ и МИФИ курсы:
- Физика нелинейных процессов,
- Теоретическая гидродинамика,
- Равновесие и устойчивость плазмы.
Автор учебников и пособий:
- «Классические задачи физики горячей плазмы». В.И. Ильгисонис./Учебное пособие – М.: Издательский дом МЭИ, 2016, 326 с.
В книге с современных позиций рассмотрены некоторые ключевые проблемы физики высокотемпературной плазмы и магнитного термоядерного синтеза, которые принято считать классическими и к которым время от времени возвращается научная мысль из-за необходимости учёта новых эффектов, расширения области применимости, а также из-за прогресса в смежных научных направлениях. Приведены как хорошо известные, так и оригинальные результаты, полученные большей частью в работах автора; описываются некоторые довольно универсальные математические методы и подходы, продуктивность которых демонстрируется на относительно простых примерах.
http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785383009260.html - «Введение в теоретическую гидродинамику». В.И. Ильгисонис./Учебное пособие. М.: РУДН, 2010, 129 с.
Аннотация. Дается конспективное изложение семестрового лекционного курса, который рассчитан на студентов старших курсов, прослушавших университетские курсы математического анализа, уравнений в частных производных, теоретической механики и имеющих представление о методах векторного анализа и вариационного исчисления. Курс ориентирован не на последующее решение прикладных задач гидромеханики, а на обучение будущих физиков-теоретиков необходимым основам теории поля, выходящим за рамки традиционных университетских курсов гидродинамики и электромагнетизма. Учебное пособие подготовлено на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических и естественных наук.
http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785209035619.html
Наука
- Развито новое направление в исследовании Магнитогидродинамического генератора (МГД) устойчивости жидких сред, основанное на систематическом учёте в вариационной процедуре набора инвариантов, не сводящихся к обычным инвариантам-казимирам; найдены симметрии и новые законы сохранения; для течений тороидальной топологии получено достаточное условие устойчивости, наиболее близкое к необходимому из всех известных сегодня.
- Открыт исчерпывающий набор инвариантов линеаризованной динамики идеальной жидкости или плазмы в магнитном поле.
- Разрешён парадокс непрерывного перехода от многожидкостных МГД моделей к одножидкостной, суть которого – в спонтанном нарушении симметрии при таком переходе.
- Обнаружен и исследован новый тип МГД неустойчивости, характерной для длинных магнитных систем, и предложен способ её подавления.
- Предложен и развит формализм трёхмерного описания дрейфовой динамики замагниченной плазмы с учетом эффектов конечного ларморовского радиуса ионов; разработана новая физически корректная схема обрыва цепочки моментных уравнений.
- Обнаружена новая магнитная потоково-вращательная неустойчивость, порог которой в характерном для астрофизических объектов дипольном поле на порядок ниже порога магнито-ротационной неустойчивости.
- Построена теория низкочастотных идеальных МГД мод в осесимметричных тороидальных системах с тороидальными и полоидальными течениями плазмы, описывающая сцепление шировых альфвеновских и медленных (звуковых) мод, определяющих непрерывный спектр вращающейся плазмы; обнаружены неустойчивые моды для плазмы со сверхзвуковым полоидальным вращением и найдены условия их стабилизация за счет эффекта зацепления с шировыми альфвеновскими модами; доказана возможность реализации глобальных мод.
- Построена теория градиентно-дрейфовой неустойчивости в холловских ракетных двигателях.
Научные интересы
- Магнитное удержание высокотемпературной плазмы;
- Магнитная гидродинамика;
- Теория устойчивости;
- Кинетика высокотемпературной замагниченной плазмы;
- Нелинейная динамика.
В рамках идеальной двухжидкостной магнитной гидродинамики исследована устойчивость градиентно-дрейфовых волн в плазменном двигателе холловского типа. Анализ основан на дисперсионном соотношении, включающем эффекты равновесного электронного тока, конечной скорости ионного потока, инерции электронов, электронной температуры, градиентов магнитного поля и плотности плазмы, а также эффекты конечной длины дебаевского экранирования. Рассчитаны характеристики неустойчивых мод вдоль оси ускоряющего канала. Выявлены три пространственно разделенные области неустойчивости: 1) прианодная область с длинноволновыми азимутальными колебаниями, 2) основная часть ускоряющего канала с коротковолновыми аксиальными модами, дестабилизированными макроскопическим потоком ионов, и 3) область за выходом из ускоряющего канала, характеризующаяся коротковолновыми косыми волнами.
Рассматриваются капиллярно-пористые электроды для плазменных МГД-устройств, которые могут быть непрерывно возобновляемыми, и позволяют в качестве двигателя для межорбитальных полетов использовать схему обращённого МГД-генератора, т.е. МГД-ускоритель. Рассмотрено два типа ускорения плазмы: 1) ускорение силы Лоренца при первичном токе перпендикулярном ускорению (схема Фарадея), и 2) ускорение на основе эффекта Холла. В первом случае двигатель имеет преимущества лишь при больших мощностях двигателя (>1 МВт), а во втором – тяга и удельная тяга уже при мощности 500-1000 кВт сравнимы и превосходят известные аналоги. Сформулированы условия работы капиллярно-пористых электродов.
Предложена физическая трактовка явления крупномасштабных осцилляций разряда в стационарном плазменном двигателе А.И. Морозова (СПД), основанная на исследовании глобальных мод градиентно-дрейфовой неустойчивости. Использована идеальная двужидкостная гидродинамическая модель плазмы, включающая эффекты стационарного течения электронов, электронной инерции, а также неоднородностей магнитного поля и плотности плазмы вдоль ускоряющего канала. Для типичных параметров системы типа СПД-100 рассчитаны частоты собственных неустойчивых колебаний и аксиальная структура собственных функций. Полученный спектр характеризуется конечным набором длинноволновых азимутальных мод в нижнегибридном диапазоне частот, локализованных преимущественно в прианодной части двигателя. Показано, что собственные моды могут образовывать волновые пакеты, основные характеристики которых на линейной стадии развития неустойчивости совпадают с параметрами крупномасштабных азимутальных структур типа спиц, наблюдаемых в экспериментах. Исследовано влияние масштабирования геометрии двигателя (длины и ширины канала) на частотные характеристики колебаний и формирование биений.
В работе представлено стратегическое направление развития ядерной энергетической системы на основе реакторов деления и синтеза, которое обеспечивает производство электроэнергии в заданных масштабах, решает топливную проблему на длительную перспективу, гарантирует наименьший риск радиоактивного загрязнения окружающей среды. Современные представления о перспективах развития атомной энергетики на основе быстрых реакторов, которые в будущем будут замещать тепловые реакторы, в силу большой длительности этого процесса и необходимости дополнительных ресурсов природного урана вынуждают рассматривать возможность практической реализации такой стратегии как маловероятную. Кроме того, топливный цикл быстрых реакторов потребует быстрой переработки высокоактивного топлива и по этой причине топливный цикл будет обладать большим риском негативного радиационного воздействия на окружающую среду. Перевод ядерной энергетики на быстрые реакторы приведёт к полной замене инфраструктуры, связанной со строительством и эксплуатацией реакторов. При развитии ядерной энергетической системы с реакторами синтеза и деления потребности в природном уране будут соответствовать современным оценкам экономически привлекательных запасов, риск радиационного загрязнения окружающей среды, связанный с переработкой ОЯТ, будет минимальным, сохранится и современная инфраструктура атомной отрасли, т.е. преобладание генерирующих мощностей на реакторах на тепловых нейтронах. Таким образом, объединение в рамках единой системы производства энергии за счёт ядерных реакций деления и синтеза вызывает значимый синергетический эффект, в котором недостатки каждой из технологий компенсируются другой технологией ядерного производства энергии.
Представлен подробный анализ устойчивости азимутальных колебаний в частично замагниченной плазме в скрещенных электрическом и магнитном полях. Неустойчивость обусловлена поперечным током электронов, состоящем из комбинацииE×B и диамагнитного дрейфов. Для широкого диапазона равновесных параметров плазмы определены границы предельной устойчивости. Показано, что в некоторых режимах вблизи порога неустойчивости неустойчивыми являются только низкочастотные длинноволновые колебания, в то время как высокочастотные моды стабилизируются эффектами конечного ларморовского радиуса. Без такой стабилизации высокочастотные моды имеют гораздо большие инкременты и доминируют над низкочастотными колебаниями. Выявлен новый режим неустойчивости, обусловленный исключительно градиентом магнитного поля. Такая неустойчивость развивается в слабом электрическом поле и при относительно больших градиентах плотности плазмы (ps/ln>1, где ρs– ионно-звуковой ларморовский радиус, а ln– характерный масштаб неоднородности плотности плазмы).
В рамках двухжидкостной МГД модели с учётом конечной температуры электронов в неоднородном магнитном поле исследована градиентно-дрейфовая неустойчивость частично замагниченной плазмы в плазменных ускорителях со скрещенными электрическими и магнитными полями. В модели также учитываются эффекты конечного ларморовского радиуса (КЛР) электронов посредством тензора бесстолкновительной вязкости, что позволяет правильно описывать динамику электронов при k┴ρe>1 в смысле приближения Паде (здесь k┴ и ρe– поперечное волновое число и электронный ларморовский радиус, соответственно). Получено локальное дисперсионное соотношение для электростатических возмущений плазмы с частотами в диапазоне между ионной и электронной циклотронными частотами, распространяющихся строго поперек магнитного поля. Дисперсионное соотношение включает эффекты равновесного E×B тока электронов, конечной скорости ионов, инерции электронов, электронного КЛР, градиентов магнитного поля и эффекты дебаевского экранирования. Выведены необходимое и достаточное условия устойчивости, определены границы неустойчивости. Показано, что в общем случае эффекты инерции и КЛР электронов стабилизируют коротковолновые возмущения. В некоторых случаях эти эффекты полностью подавляют высокочастотные коротковолновые возмущения, и неустойчивыми оказываются только длинноволновые низкочастотные (по отношению к нижнегибридной частоте) моды.
Показано, что экстремаль объёма, заключённого внутри тороидальной поверхности заданной площади, доставляется поверхностью постоянной средней кривизны. Получено точное решение соответствующей вариационной задачи, и проведён его параметрический анализ в пределах большой и малой средней кривизны. Доказано отсутствие гладких торов постоянной средней кривизны и продемонстрировано, что искомая экстремальная поверхность имеет, по крайней мере, одно ребро, расположенное на наружном обводе тора.
Описаны эксперименты и компьютерное моделирование по получению и удержанию релятивистской плазмы в системе магнитных пробок в условиях гиромагнитного авторезонанса. Продемонстрирована генерация плазменных сгустков с релятивистской электронной компонентой. Средняя энергия электронов в сгустке составляет несколько сотен кэВ в зависимости от параметров затравочной плазмы, напряженности СВЧ электрического поля и скорости нарастания импульсного магнитного поля. Показана возможность управления сгустками, путем варьирования этих параметров.
В рамках МГД-модели исследовано влияние формы поверхности плазмы на сплошной спектр геодезических акустических мод в токамаке. Получено выражение для частоты локальной геодезической акустической моды в модельном равновесии плазмы некруглой формы. Рассчитаны поправки к частоте колебаний, связанные с вытянутостью и треугольностью плазмы и конечным аспектным отношением токамака. Показано, что основным эффектом, влияющим на спектр геодезических акустических мод, является вытянутость плазмы, приводящая к значительному снижению частоты моды.
В холловской плазме с замагниченными электронами и незамагнитными ионами проявляется широкий спектр мелкомасштабных флуктуаций в нижнегибридном диапазоне частот, а также низкочастотные крупномасштабные моды. В работе исследована модуляционная неустойчивость нижнегибридных мод в типичных условиях холловских плазменных установок, таких как магнетроны и холловские плазменные двигатели, когда дисперсия волн в нижнегибридном диапазоне частот, распространяющихся перпендикулярно внешнему магнитному полю, обусловлена градиентами магнитного поля и плотности плазмы. Показано, что нижнегибридные моды неустойчивы по отношению ко вторичной неустойчивости крупномасштабных возмущений, что может быть причиной существования крупномасштабных когерентных мод, наблюдаемых в ряде холловских плазменных установок.
В рамках идеальной магнитной гидродинамики выведена система линейных редуцированных уравнений для описания низкочастотных возмущений в тороидально вращающейся плазме осесимметричного токамака. Построена модель, пригодная для изучения глобальных геодезических акустических мод (ГГАМ). Представлен пример использования разработанной модели для вывода интегральных условий существования ГГАМ и соответствующего закона дисперсии.
Аналитическими и численными методами исследована ионно-звуковая неустойчивость, обусловленная ионным потоком в системе конечной длины. Ионно-звуковые волны модифицируются наличием стационарного ионного потока, приводящего к существованию волн с отрицательной и положительной энергиями. Неустойчивость развивается за счет зацепления волн с отрицательной и положительной энергиями при отражении от границы. Показано, что дисперсия волн, вызванная отклонением от квазинейтральности, имеет решающее значение для неустойчивости. В системе конечной длины дисперсия характеризуется длиной системы, измеренной в единицах дебаевской длины. Неустойчивость исследуется аналитически и полученные результаты сравниваются с прямым численным решением задачи с начальными значениями.
В рамках идеальной магнитной гидродинамики найдено аналитическое решение для глобальных геодезических акустических мод (ГГАМ) в токамаке с положительным магнитным широм и монотонным профилем температуры. Осесимметричная задача на собственные значения для возмущенного давления и электростатического потенциала плазмы сформулирована в виде рекуррентного ряда уравнений для полоидальных Фурье гармоник. Получено интегральное условие существования ГГАМ. Показано, что традиционная парадигма о наличии вне осевого максимума локальной геодезической акустической частоты не является необходимой для существования ГГАМ; построен представительный пример решения.
Построены аналитические решения для глобальных геодезических акустических мод в плазме токамака с круглыми концентрическими магнитными поверхностями. В рамках идеальной магнитной гидродинамики выведено интегральное уравнение на собственное значение (дисперсионное уравнение), учитывающее тороидальное зацепление электростатических возмущений с электромагнитными возмущениями с полоидальным волновым числом |m|= 2; в отсутствие такого зацепления дисперсионное уравнение приводит лишь к стандартному сплошному спектру. Проведен анализ существования глобальной геодезической акустической моды для равновесий плазмы с максимумом локальной геодезической акустической частоты, лежащим как на оси, так и внутри плазменного шнура. Аналитические результаты сопоставлены с результатами численных расчетов.