The avalanche of runaway electrons is thought to pose a significant obstacle to the success of reactor scale devices such as ITER. As a result, a significant effort has been devoted toward quantifying both the threshold for the initiation of the avalanche of runaway electrons and the efficiency of the avalanche mechanism. In this work, these two quantities are computed utilizing a guiding-center formulation with large-angle collision operators of varying physics fidelity. The use of a guiding-center formulation, while computationally more costly compared to bounce-averaged approaches, provides a conceptually straightforward means of incorporating tokamak geometry. It is found that while the avalanche threshold is only weakly impacted by toroidal geometry for fully ionized low-Z plasmas, it can be significantly impacted if high-Z impurities are present. Furthermore, it is shown that the efficiency of the avalanche mechanism depends sensitively on the impurity content, the charge state of the underlying impurities, and the radial profile of the seed electron population. Finally, the commonly employed Møller secondary source term used to model the generation of secondary electrons is shown to yield avalanche growth rates and thresholds in good agreement with a more complete conservative large-angle collision operator.
逃走電子のなだれは、ITERのような炉心規模の装置の成功にとって重大な障害となると考えられている。その結果、逃走電子なだれの開始閾値となだれ機構の効率の両方を定量化するために、多大な努力が払われてきた。本研究では、これら二つの量を、様々な忠実度の大角度衝突演算子を備えたガイドセンター定式化を用いて計算する。ガイドセンター定式化の使用は、バウンス平均化アプローチと比較して計算コストは高いものの、トカマク幾何学を組み込むための概念的に直接的な手段を提供する。完全電離した低Zプラズマでは、なだれ閾値はトロイダル幾何学による影響をほとんど受けないが、高Z不純物が存在する場合には有意な影響を受ける可能性があることが見出された。さらに、なだれ機構の効率は、不純物含有量、基礎となる不純物の電荷状態、および種電子の径方向プロファイルに敏感に依存することが示された。最後に、二次電子の生成をモデル化するために一般的に用いられるメラー二次源項は、より完全な保存的大角度衝突演算子と良好な一致を示すなだれ成長率と閾値を与えることが示された。