Basierend auf dem Reaktordynamikcode DYN3D für LWR, wurde die Codeversion DYN3D-HTR für das Blockkonzept eines graphit-moderierten, helium-gekühlten Hochtemperaturreaktors entwickelt. Diese Entwicklung umfasst die: • methodische Weiterentwicklung der 3D stationären Neutronenflussberechnung für hexagonale Geometrie (HTR-Brennelement-Blöcke), • Generierung von Wirkungsquerschnittsdaten unter Berücksichtigung der doppelten Heterogenität, • Modellierung der Wärmeleitung und des Wärmetransports in der Graphitmatrix. Die nodale SP3-Neutronentransport-Methode in DYN3D wurde auf hexagonale Brennelementgeometrie erweitert. Es wird eine Unterteilung der Hexagone in Dreiecke vorgenommen, so dass die Verfeinerung hexagonaler Strukturen untersucht werden kann. Die Verifikation erfolgte durch Vergleiche mit Monte-Carlo-Referenzlösungen. Für die Behandlung der doppelten Heterogenität der Brennelementstruktur bei Homogenisierung der Wirkungsquerschnitte wurden neue Methoden entwickelt. Zum einen wurde ein zweistufiges Homogenisierungsverfahren basierend auf der Methode der sog. Reactivity Equivalent Transformation (RPT) weiterentwickelt. Zum anderen ermöglichte die Verfügbarkeit des neuen Monte-Carlo-Codes SERPENT die Anwendung eines einstufigen Verfahrens, wobei die 3D heterogenen Strukturen in einem Rechenschritt konsistent erfasst werden können. Weiterhin wur-de in DYN3D ein 3D Wärmeleitungsmodell implementiert, das den radialen und axialen Wärmetransport in der Graphitmatrix beschreiben kann. DYN3D-HTR wurde schließlich anhand der Testfälle für Reaktivitätstransienten erprobt. Die Verifikation erfolgte durch Vergleich zwischen 3D und 1D Berechnung der Wärmeleitung. Schließlich wurde DYN3D mit dem CFD-Code ANSYS-CFX gekoppelt, um auch dreidimensionale Strömungen in Reaktorkernen berechnen zu können. Der Kern wird als poröser Körper modelliert. Die Kopplung wurde an anhand von 2 Testbeispielen, dem Auswurf eines Steuerstabes und einer lokalen Strömungsblockade in einem Brennelement, erprobt.

In 2012 the HZDR, and in consequence also the Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) including its Ion Beam Center (IBC), has undergone a scientific evaluation. The evaluation committee composed of the Scientific Advisory Board and numerous external experts in our field of research concluded that “the overall quality of the scientific work is excellent”, that “there are an impressive number of young scientists working enthusiastically on a variety of high-level projects” and that “the choice of these projects represents a clear underlying strategy and vision”. We feel honored and are proud that the external view on our scientific achievements is that extraordinary. In view of this outstanding result we would like to express our gratitude to all our staff members for their commitment and efforts! In the past year, we continued our integration into the Helmholtz Association of German Research Centers (HGF) with our Institute mostly active in the research area “Matter”, but also involved in a number of activities in the research area “Energy”. In this respect, many consultations were held with the Helmholtz centers contributing to common research areas to precisely define the role we will play in the newly established HGF program “From Matter to Materials and Life” (see schematic below). Our IBC has been recognized as a large-scale user facility for ion beam analysis and modification of materials, i.e., specializing on materials science. In particular, the IBC plays a prominent role in the recently approved Helmholtz Energy Materials Characterization Platform (HEMCP), which mainly concentrates on the development of dedicated analytical tools for the characterization of materials required for future energy technologies. The successes achieved by the IBC allows us to invest 7200 k€ to further improve and strengthen the ion beam capabilities at the Institute. In addition to this infrastructure-related grant, we were also successful in our funding application for the establishment of the International Helmholtz Research School for Nanoelectronic Networks (IHRS NANONET), aiming at promoting the next generation of leading scientists in the field of nanoelectronics. The IHRS NANONET is coordinated by our Institute and offers a well-structured PhD program to outstanding students of all nationalities with emphasis on interdisciplinary research and comprehensive training in technical and professional skills.

The 22Ne(p,γ)23Na reaction belongs to the catalytic neon-sodium cycle and has an important role in the explosive hydrogen burning. The neon-sodium cycle takes place at temperatures of T = 0:1 - 0:5GK and is assumed to occur in di erent astrophysical systems: e.g. in novae, in super novae of type Ia and during the shell-burning of red giant branch stars. The implications of 22Ne(p,γ)23Na and the neon-sodium cycle in a nova scenario have been studied by using the nuclear network code libnucnet at GSI in Darmstadt. A nova is an outburst of matter in a binary system consisting of a white dwarf and a red giant star. It is therefore a representative phenomenon for explosive hydrogen burning. For the calculation of the nucleosynthesis during the nova outburst, the code libnucnet requires the initial mass composition of the novae partners, the temperature and density pro les of the nova explosion and the thermonuclear reaction rates of the participating reactions. In the following, the code determined the ow and the nal atomic abundance in the neon-sodium cycle during the entire nova process. Additionally, the in uence of the temperature pro le of the novae outburst as well as the thermonuclear reaction rate of the 22Ne(p,γ)23Na reaction on the nal atomic abundance in the outburst has been studied. A characteristic measure for the reactions in astrophysical environments is the thermonuclear reaction rate. The reaction rate of 22Ne(p,γ)23Na has still strong uncertainties in the temperature range of T = 0:03-0:3 GK. These uncertainties are based on insu cient upper limits of the resonance strengths as well as the possible existence of tentative states that are populated in the energy range of Elabp = 30 - 300 keV. The research presented in this thesis is dedicated to the experimental study of the 22Ne(p,γ)23Na reaction for an improved determination of the thermonuclear reaction rate. Furthermore, the implications of 22Ne(p,γ)23Na and the neon-sodium-cycle in novae scenarios are discussed. The data taking has been performed at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy. This laboratory provides the LUNA facility (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) for the measurement of small reaction cross sections. The LUNA facility includes a 400 kV ion accelerator, a windowless gas target system and a HPGe-detector. Based on the measurements of the 22Ne(p,γ)23Na reaction at LUNA, upper limits for the strengths of ve isolated resonances in the energy range of Elabp = 150 - 340 keV have been determined. For the nuclear resonance at Elabres = 186 keV, a positive resonance strength has been measured for the rst time in literature.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spalt-reaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss aus-gesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden ein-gesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nano¬härte¬messungen und Transmissions¬elektronen¬mikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Ab-hängig¬keit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für aus-gewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronen-bestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernis¬stärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungs-bedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungs-reihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersions-verfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

The year 2013 was the third year of HZDR as a member of the Helmholtz Association (HGF), and we have made progress of integrating ourselves into this research environment of national Research centers. In particular, we were preparing for the evaluation in the framework of the so-called program oriented funding (POF), which will hopefully provide us with a stable funding for the next five years (2015 – 2019). In particular, last fall we have submitted a large proposal in collaboration with several other research centers. The actual evaluation will take place this spring. Most of our activities are assigned to the program “From Matter to Materials and Life” (within the research area “Matter”). A large fraction of this program is related to the operation of large-scale research infrastructures (or user facilities), one of which is our Ion Beam Center (IBC). The second large part of our research is labelled “in-house research”, reflecting the work driven through our researchers without external users, but still mostly utilizing our large-scale facilities such as the IBC, and, to a lesser extent, the free-electron laser. Our in-house research is performed in three so-called research themes, as depicted in the schematic below. What is missing there for simplicity is a small part of our activities in the program “Nuclear Waste Management and Safety” (within the research area “Energy”).

Eine der wichtigsten nuklearen Prozesse stellt der Neutroneneinfang dar. In der kosmischen Nukleosynthese (s-Prozess) schwerer Elemente werden Kerne mit Massenzahlen größer als die von Eisen (A = 56) produziert, welche durch Kernfusion nicht produziert werden können. Dabei fängt ein Kern ein Neutron ein, wird durch die frei werdende Bindungsenergie angeregt und kann sich anschließend unter Aussenden von Photonen (Gamma-Quanten) wieder abregen. Aus der Abregung über Gammastrahlung können Rückschlüsse auf die Struktur des aktivierten Nuklids gezogen werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die ausgesendeten Photonen des angeregten Elements 78Se, welches durch Neutroneneinfang an 77Se am Reaktor des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich produziert wurde, näher untersucht. Dazu mussten zunächst Effi zienzkalibrierung und Addback-Korrekturen vorgenommen werden. Im Anschluss konnten mit Hilfe des EXILL-Multidetektoraufbaus Koinzidenzbeziehungen mehrerer aufeinander folgender Photonen untersucht und in einem Niveauschema zusammengefasst werden. Mit Hilfe der Winkelverteilung konnten diversen Zuständen Spins zugeordnet werden. Des Weiteren wurden die Ergebnisse einer Simulation von Gammakaskaden (DEX) und eines Photonenstreuungsexperiments am Elektronenbeschleuniger ELBE des HZDR mit den in Grenoble aufgenommenen experimentellen Daten verglichen.

Within this thesis two twin experiments consisting of neutron capture and photon scattering on the neighbour isotopes 77Se / 78Se and 195Pt / 196Pt have been analysed to gain qualitative and quantitative information about the photon strength function and level density in the respective compound nuclei. For the analysis and simulation of both experimental types a new Monte Carlo simulation using a fast and efficient, extreme statistical treatment of radiative nuclear deexcitations, was developed. Furthermore the influence of fluctuations of transition widths on photon scattering were investigated and quantified. It could be shown that those lead to an enhancement of elastic scattering processes. The data analysis of both twin experiments reveals non-Lorentzian extra E1 photon strength below the neutron separation energy.

The transverse emittance is one of the most important quantities which characterize the quality of an electron source. For high quality experiments low beam emittance is required. By means of theoretical considerations and simulation calculations we have studied how the emittance of the Rossendorf superconducting radio-frequency photoelectron source (SRF gun) can be minimized. It turned out that neither a solenoid magnet nor the effect of space charge forces is needed to create a pronounced emittance minimum. The minimum appears by just adjusting the starting phase of the electron bunch with respect to the RF phase of the gun in a suitable way. Investigation of various correlations between the properties of the beam particles led to an explanation on how the minimum comes about. It is shown that the basic mechanism of minimization is the fact that the longitudinal properties of the particles (energy) are strongly influenced by the starting phase. Due to the coupling of the longitudinal and transverse degrees of freedom by the relativistic equation of motion the transverse degrees of freedom and thereby the emittance can be strongly influenced by the starting phase as well. The results obtained in this study will be applied to minimize the emittance in the commissioning phase of the SRF gun.

The Institute of Resource Ecology (IRE) is one of the eight institutes of the Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf (HZDR). The research activities are mainly integrated into the program “Nuclear Waste Management, Safety and Radiation Research (NUSAFE)” of the Helmholtz Association (HGF) and focused on the topics “Safety of Nuclear Waste Disposal” and “Safety Research for Nuclear Reactors”. Additionally, various activities have been started investigating chemical and environmental aspects of processing and recycling of strategic metals, namely rare earth elements. These activities are located in the HGF program “Energy Efficiency, Materials and Resources (EMR)”. Both programs, and therefore all work which is done at IRE, belong to the research sector “Energy” of the HGF. The research objectives are the protection of humans and the environment from hazards caused by pollutants resulting from technical processes that produce energy and raw materials. Treating technology and ecology as a unity is the major scientific challenge in assuring the safety of technical processes and gaining their public acceptance. We investigate the ecological risks exerted by radioactive and nonradioactive metals in the context of nuclear waste disposal, the production of energy in nuclear power plants, and in processes along the value chain of metalliferous raw materials. A common goal is to generate better understanding about the dominating processes essential for metal mobilization and immobilization on the molecular level by using advanced spectroscopic methods. This in turn enables us to assess the macroscopic phenomena, including models, codes, and data for predictive calculations, which determine the transport and distribution of contaminants in the environment.

Ziel des BMWi-Fördervorhabens 1501393 ist es, durch den Einsatz von Untersuchungsmethoden auf der nm-Skala einen Beitrag zur Aufklärung von Flusseffekten und von Late-Blooming-Effekten in bestrahlten RDB-Stählen zu leisten. Zur Untersuchung dieser Effekte wurde auf RDB-Stähle deutscher Reaktoren aus zwei bei der AREVA GmbH abgeschlossenen Vorhaben zurückgegriffen. Die Auswahl der Grundwerkstoffe und Schweißgüter erfolgte so, dass sich optimale Voraussetzungen für das Erreichen des Gesamtziels des Vorhabens ergeben. Die ausgewählten Untersuchungsmethoden umfassen mit der Neutronenkleinwinkelstreuung, der Atomsondentomographie und der Positronen-annihilationsspektroskopie solche Techniken, die die nm-skaligen bestrahlungsinduzierten Defekt-Fremdatom-Cluster bestmöglich und in komplementärer Weise zu detektieren und zu charakterisieren gestatten. Es wurde ein Flusseffekt auf die Größe der bestrahlungsinduzierten Fremdatomcluster, jedoch nicht auf den Volumenanteil und die mechanischen Eigenschaften gefunden. In einem Cu-armen RDB-Schweißgut wurde ein Late-Blooming-Effekt nachgewiesen, der sich in einem steilen Anstieg des Clustervolumenanteils und der Übergangstemperaturverschiebung nach einer Phase schwacher oder fehlender Zunahme niederschlägt. The BMWi project 1501393 aimed at contributing to the clarification of flux effects and late blooming effects in irradiated RPV steels by means of experimental techniques of sensitivity at the nm scale. The investigation of these effects was focussed on RPV steels, both base metal and weld of German reactors selected according to the objectives of the present project from two previous projects performed at AREVA GmbH. The complementary techniques of small-angle neutron scattering, atom probe tomography and positron annihilation spectroscopy were applied to detect and characterize the irradiation-induced nm-scale defect-solute clusters. A flux effect on the size of the irradiation-induced clusters but no flux effect on both cluster volume fraction and mechanical properties was found. For a low-Cu RPV weld, a late blooming effect was observed, which results in a steep slope of both cluster volume fraction and transition temperature shift after an initial stage of small or no change.