The Electrical Power Systems (EPS) are indispensable for a Nuclear Power Plant (NPP). The EPS are essential for plant start-up, normal operation, and emergency conditions. Electrical power systems are necessary not only for power generation, transmission, and distribution but also to supply reliable power for plant operation and control system during safe operation, Design Basis Conditions (DBC) and Design Extension Conditions (DEC). According to IAEA Specific Safety Guide SSG-34, EPS are essentially the support systems of many plant equipment. Electrical system, which supply power to plant systems important to nuclear safety, are essential to the safety of an NPP. In recent years, due to the digitization of Instrumentation and Control (I&C) systems, along with their enhanced accuracy, ease of implementing complex functions and flexibility, have been also exposed to sophisticated cyber threats. Despite physical separation and redundant electrical power supply sources, malicious cyber-attacks performed by insiders or outsiders might disrupt the power flow and result in an interruption in the normal operation of an NPP. Therefore, for the uninterrupted operation of a plant, it is crucial to contemplate cybersecurity in the EPS design and implementation. Considering multiple cyber threats, the main objectives of this research work are finding out security vulnerabilities in electrical power systems, simulating potential cyber-attacks and analyzing the impacts of these attacks on the electrical components to protect the electrical systems against these cyber-attacks. An EPS testbed at a small scale was set up, which included commercial I&C and electrical equipment significant for the cybersecurity analysis. The testbed equipment comprises of electrical protection relay (IEC 60255), controller, operating panel, engineering workstation computer, simulation model, etc. to monitor and control the power supply of one or more electrical equipment responsible for a regular operation in an NPP. Simulated cybersecurity attacks were performed using this testbed and the outcomes were examined in multiple iterations, after adding or changing security controls (cybersecurity countermeasures). Analyzing the cybersecurity and performing cyber-attacks on these systems are very advantageous for a real power plant to prepare and protect the plant equipment before any malicious attack happens. This research work conclusively presents cybersecurity analysis, including basic and sophisticated cyber-attack scenarios to understand and improve the cybersecurity posture of EPS in an NPP. The approach was completed by considering the process engineering systems (e.g. reactor core cooling systems) as attack targets and investigating the EPS specific security Defense-in-Depth (DiD) design together with the Nuclear Safety DiD concepts.:CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation 1.2 Technical Background 1.3 Objectives of the Ph.D. Project 1.4 State of the Art in Science and Technology CHAPTER 2 FUNDAMENTALS OF CYBERSECURITY AND ELECTRICAL CONTROL AND PROTECTION CONCEPTS 2.1 Electrical Power System 2.2 Electrical Protection System 2.3 Cyber-Physical System 2.4 Industrial Control System 2.5 Safety I&C and Operational I&C Systems 2.6 Safety Objective Oriented Top-Down Approach 2.7 Cybersecurity Concept 2.8 Threat Identification and Characterization in NPP 2.8.1 Design Basis Threat 2.8.2 Attacker Profile 2.8.1 Reported Real-Life NPP Cyber-Attack Examples 2.9 Security Levels 2.10 Summary CHAPTER 3 CYBER-PHYSICAL PROCESS MODELING 3.1 Introduction 3.2 Single Line Diagrams of Different Operational Modes 3.3 Design 3.4 Block Diagram of Simulink Model 3.5 Implementation of Simulink Blocks 3.5.1 Power Generation 3.5.2 Grid Feed 3.5.3 House Load (Feed Water Pump) 3.6 OPC UA Communication 3.7 Summary CHAPTER 4 CYBER THREAT SCENARIOS FOR EPS 4.1 Introduction 4.2 Cyber-Physical System for EPS 4.3 Cyber Threats and Threat Sources 4.3.1 Cyber Threats 4.3.2 Threat Sources 4.4 Cybersecurity Vulnerabilities 4.4.1 Vulnerabilities in EPS 4.4.2 Vulnerabilities in ICS 4.5 Attacker Modeling 4.6 Basic Cyber Threat Scenarios for EPS 4.6.1 Scenario-1: Physical Access to Electrical Cabinets 4.6.2 Scenario-2: Modification of Digital Protection Devices 4.7 Potential Advanced Cyber Threat Scenarios for EPS 4.7.1 Scenario-1: Alteration of a Set-point of the Protection Relay 4.7.2 Scenario-2: Injection of Malicious Packets 4.7.3 Scenario-3: False Trip Command 4.7.4 Scenario-4: Availability Attack on Protection Relay or SCADA System 4.7.5 Scenario-5: Permanent Damage to Physical Component 4.7.6 Scenario-6: Protocol-wise Attack on Operator Panel 4.8 Threat Scenario for Simulink model 4.9 Summary CHAPTER 5 EPS TESTBED DESCRIPTION 5.1 Introduction 5.2 Basic Industrial Automation Architecture 5.3 Need for Testbeds 5.4 Proposed EPS Testbed 5.4.1 Testbed Architecture 5.4.2 Testbed Implementation 5.5 EPS Physical Testbed Applications 5.5.1 Modeling and Simulation of Power System Faults 5.5.2 Modeling of Cyber-Attacks 5.6 Summary CHAPTER 6 EXPERIMENTAL AND IMPACT ANALYSIS OF CYBER THREAT SCENARIOS 6.1 Outline 6.2 Normal Operation and Control 6.3 Possibilities to Cause Failure in the Primary or Secondary Cooling Systems 6.4 Implementation of Cybersecurity Threat Scenarios 6.4.1 Alteration of a Relay Set-Point during Plant Start-Up Phase 6.4.2 Alteration of a Controller Set-Point during Normal Operation Phase 6.4.3 Availability Attack on Control and Protection System 6.4.4 Severe Damage to a Physical Component due to Overcurrent 6.5 Experimentally Assessed Cyber-attacks 6.6 Summary CHAPTER 7 SUMMARY AND OUTLOOK REFERENCES SCIENTIFIC PUBLICATIONS GLOSSARY

Non-isothermal compositional two-phase flow is considered to be one of the fundamental physical processes in the field of water resources research. The strong non-linearity and discontinuity emerging from phase transition phenomena pose a serious challenge for numerical modeling. Recently, Lauser et al.[1] has proposed a numerical scheme, namely the Nonlinear Complementary Problem (NCP), to handle this strong non-linearity. In this work, the NCP is implemented at both local and global levels of a Finite element algorithm. In the former case, the NCP is integrated into the local thermodynamic equilibrium calculation. While in the latter one, it is formulated as one of the governing equations. The two different formulations have been investigated through several well established benchmarks and analyzed for their efficiency and robustness. In the second part of the thesis, the presented numerical formulations are applied for application and process studies in the context of nuclear waste disposal in Switzerland. Application studies comprehend the coupling between multiphase transport model and complex bio-geo-chemical process to investigate the degradation of concrete material due to two major reactions: carbonation and Aggregate Silica Reaction(ASR). The chemical processes are simplified into a lookup table and cast into the transport model via source and sink term. The efficiency and robustness of the look-up table are further compared with a fully reactive transport model.

Within cosmology, there are two entirely independent pillars which can jointly drive this field towards precision: Astronomical observations of primordial element abundances and the detailed surveying of the cosmic microwave background. However, the comparatively large uncertainty stemming from the nuclear physics input is currently still hindering this effort, i.e. stemming from the 2H(p,γ)3He reaction. An accurate understanding of this reaction is required for precision data on primordial nucleosynthesis and an independent determination of the cosmological baryon density. Elsewhere, our Sun is an exceptional object to study stellar physics in general. While we are now able to measure solar neutrinos live on earth, there is a lack of knowledge regarding theoretical predictions of solar neutrino fluxes due to the limited precision (again) stemming from nuclear reactions, i.e. from the 3He(α,γ)7Be reaction. This thesis sheds light on these two nuclear reactions, which both limit our understanding of the universe. While the investigation of the 2H(p,γ)3He reaction will focus on the determination of its crosssection in the vicinity of the Gamow window for the Big Bang nucleosynthesis, the main aim for the 3He(α,γ)7Be reaction will be a measurement of its γ-ray angular distribution at astrophysically relevant energies. In addition, the installation of an ultra-low background counting setup will be reported which further enables the investigation of the physics of rare events. This is essential for modern nuclear astrophysics, but also relevant for double beta decay physics and the search for dark matter. The presented setup is now the most sensitive in Germany and among the most sensitive ones worldwide. / Innerhalb der Kosmologie gibt es zwei völlig unabhängige Ansätze, die gemeinsam die Präzision in diesem Gebiet weiter vorantreiben können: Astronomische Beobachtungen der primordialen Elementhäufigkeiten und die detaillierte Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Dieses Vorhaben wird derzeit allerdings noch durch die vergleichsweise große Unsicherheit des kernphysikalischen Inputs verhindert, vor allem bedingt durch das limitierte Verständnis der 2H(p,γ)3He-Reaktion. Eine präzise Vermessung dieser Reaktion ist sowohl für die Präzisionsdaten zur primordialen Nukleosynthese erforderlich, als auch für die damit einhergehende unabhängige Bestimmung der kosmologischen Baryonendichte. Des Weiteren ist unsere Sonne ein exzellent geeignetes Objekt, um unser theoretisches Verständnis über die Physik von Sternen mit experimentellen Messungen abgleichen zu können. Während wir heutzutage in der Lage sind, solare Neutrinos in Echtzeit auf der Erde messen können, mangelt es noch an der theoretischen Vorhersagekraft von solaren Neutrinoflüssen. Auch hier ist die Präzision (erneut) begrenzt durch das limitierte Verständnis der beteiligten Kernreaktionen, vor allem bedingt durch mangelnde Kenntnis über die 3He(α,γ)7Be-Reaktion. Die vorliegende Arbeit beleuchtet diese zwei Kernreaktionen, die beide unser Verständnis des Universums auf verschiedene Weise einschränken. Während sich die Untersuchung der 2H(p,γ)3He-Reaktion auf die Bestimmung ihres Wirkungsquerschnitts in der Nähe des Gamow-Fensters für die Urknall-Nukleosynthese konzentriert, ist das Hauptanliegen für die 3He(α,γ)7Be-Reaktion eine Messung der Winkelverteilung der dabei emittierten γ-Strahlung bei astrophysikalisch relevanten Energien. Darüber hinaus wird über die Installation eines Messaufbaus zur Untersuchung niedriger Aktivitäten berichtet, das sich durch seine äußerst geringe Untergrundzählrate auszeichnet. Bedingt durch seine hohe Sensitivität kann dieser Aufbau in Zukunft bedeutende Beiträge für die moderne nukleare Astrophysik leisten und ist darüber hinaus beispielsweise auch relevant für die Untersuchung von Doppel-Betazerfällen oder die Suche nach dunkler Materie. Der präsentierte Aufbau ist nun der Sensitivste seiner Art in Deutschland und gehört zu den Sensitivsten weltweit.

Bei der Suche nach einem geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle müssen alle Risiken für die Integrität des Endlagers und die Sicherheit der umgebenden Biosphäre berücksichtigt werden. Nach der Einlagerung radioaktiver Abfälle kommt es durch verschiedene chemische und physikalische Prozesse innerhalb des Endlagers zur Gasbildung. Die kontinuierliche Gasbildung kann den Gasdruck im verschlossenen Endlager erheblich erhöhen. Das Multibarrierensystem des Endlagers, das häufig aus tonhaltigen Materialien besteht, verhindert, dass sich das Gas verflüchtigt. Die Auswirkungen eines hohen Gasdrucks und die damit verbundenen mechanischen Verformungen können sich negativ auf das Barrieresystem des Endlagers auswirken. Ein genaues Verständnis und die Reproduzierbarkeit der gekoppelten Prozesse ist daher unerlässlich.\\ Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gasmigration bei hohen Gasdrücken über lokal begrenzte, preferentielle Strömungs-pfade erfolgt. In dieser Arbeit wurden verschiedene numerische Ansätze entwickelt, um diese Strömungspfade in numerischen Modellen effektiv zu reproduzieren. Ein entwickelter Ansatz nutzt mikroskalige Eigenschaften, die aus Messungen der Porengrößendichte gewonnen werden. Diese werden hochskaliert und in die Eigenschaften des porösen Mediums integriert. Darüber hinaus ist ein bimodales Porenmodell entwickelt worden, das speziell das dehnungsabhängige Wasserrückhaltevermögen beschreibt und einen verringerten Gaseintrittsdruck und erhöhten Anteil der Makroporosität simulieren kann. Die Simulationsmethoden beinhalten zusätzlich die Verwendung von dehnungsabhängigen Permeabilitätsmodellen für die implizite Darstellung der Strömungspfade. Diese Modellierungsansätze werden dann zur Simulation verschiedener Experimente angewandt, wodurch ein detaillierter Vergleich zwischen berechneten Parametern und experimentellen Ergebnissen ermöglicht wird.\\ Die mit dem Open-Source-Code OpenGeoSys durchgeführten Simulationen zeigen, dass bestimmte Merkmale der Gasmigration durch gesättigten Bentonit oder Tonstein erfolgreich reproduziert werden können. Heterogene Verteilungen der Materialeigenschaften können genutzt werden, um bevorzugte Strömungspfade und plötzliche Gasdurchbrüche zu simulieren. Eine Kombination aus dehnungsabhängigen Modifikationen der intrinsischen Permeabilität und der Wasserrückhalte-kurve ermöglicht eine verbesserte Modellierung impliziter präferentieller Pfade. Das sich daraus ergebende tiefere Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse der Gasmigration kann das Sicherheitsanalyse für ein geologisches Tiefenlager für radioaktive Stoffe verbessern.:I Background 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation 2 1.2 Objectives 4 1.3 Structure 5 II Theory and Numerics 2 GEOTECHNICAL CONTEXT AND FLUID TRANSPORT 2.1 Deep Geological Repository 9 2.2 Gas production in a DGR 11 2.2.1 Anaerobic metal corrosion 12 2.2.2 Water radiolysis 12 2.2.3 Biodegradation 13 2.3 Fluid transport mechanisms 13 2.3.1 Unsaturated initial conditions 13 2.3.2 Saturated initial conditions 14 2.3.2.1 Advective or diffusive transport of dissolved gas 14 2.3.2.2 Visco-capillary two-phase flow 16 2.3.2.3 Dilatancy-controlled gas flow 18 2.3.2.4 Fracture-controlled gas flow 19 3 NUMERICS AND METHODOLOGY 3.1 Balance equations 21 3.2 Mechanical models 23 3.3 Enhanced permeability functions 24 3.4 Spatial heterogeneity 27 3.5 Bimodal water retention in bentonite 29 4 APPLICATION AND MODEL DESCRIPTION 36 4.1 Application within the DECOVALEX Project 36 4.1.1 Task A – COx claystone 37 4.1.2 Task B – MX-80 Bentonite 38 4.2 Additional gas flow tests 40 III Simulations 5 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH MX-80 BENTONITE 5.1 Heterogeneous Gas Entry Pressure from Measurements (Paper I) 45 5.2 Bimodal Heterogeneous Gas Entry Pressure (Paper II) 46 5.3 Strain-dependent Bimodal Water Retention Model (Paper III) 47 5.4 Strain-dependent Pore-Model with Heterogeneity 48 6 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH COX CLAYSTONE (PAPER IV) 51 7 DISCUSSION 53 IV Summary 8 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 57 A APPENDIX A 72 A.1 List of Publications 72 B APPENDIX B B.1 Paper I 75 B.2 Paper II 87 B.3 Paper III 109 B.4 Paper IV 121 / In the search for a deep geological repository for radioactive waste, all risks to the integrity of the repository and the safety of the surrounding biosphere must be considered. Following the emplacement of radioactive waste, various chemical and physical processes within the repository induce gas generation. Continuous gas generation can significantly increase the gas pressure in the sealed repository. The repository's multi-barrier system, which often consists of clayey materials such as clayrock and bentonite, prevents the gas from dissipating. The resulting high gas pressure and the associated mechanical deformations can have a negative impact on the multi-barrier system of the repository, e.g. by creating fluid pathways. A sufficiently precise understanding and reproducibility of the processes associated with gas migration through clayey materials is therefore essential for the safety analysis of a repository for radioactive waste.\\ Experimental evidence suggests that, under high gas pressure, gas migration predominantly occurs through localized, preferential pathways characterised by spontaneous breakthroughs. In this work, various numerical approaches have been developed to effectively reproduce these pathways in numerical models. One developed approach utilises microscale properties obtained from measurements of pore size density. These are upscaled and integrated into the properties of the porous medium. Additionally, a bimodal pore model is developed specifically to capture strain-dependent water retention, allowing the simulation of gas entry pressure reduction and macroporosity increase within preferential pathways. The simulation methods include the use of strain-dependent permeability models for the implicit representation of these pathways. These modelling approaches are then applied to replicate different experiments, allowing a detailed comparison between calculated parameters and experimental results.\\ The simulations, performed with the open-source code OpenGeoSys, show that certain features of gas migration through saturated bentonite or claystone can be successfully reproduced. Heterogeneous distributions of material properties can be used to simulate preferential pathways and sudden gas breakthroughs. A combination of permeability models as well as strain-dependent modifications of the intrinsic permeability and the water retention curve provide opportunities for improved modelling of implicit preferential pathways. The resulting deeper understanding of the underlying processes of gas migration can strengthen the safety case for a deep geological repository for radioactive materials.:I Background 1 INTRODUCTION 1.1 Motivation 2 1.2 Objectives 4 1.3 Structure 5 II Theory and Numerics 2 GEOTECHNICAL CONTEXT AND FLUID TRANSPORT 2.1 Deep Geological Repository 9 2.2 Gas production in a DGR 11 2.2.1 Anaerobic metal corrosion 12 2.2.2 Water radiolysis 12 2.2.3 Biodegradation 13 2.3 Fluid transport mechanisms 13 2.3.1 Unsaturated initial conditions 13 2.3.2 Saturated initial conditions 14 2.3.2.1 Advective or diffusive transport of dissolved gas 14 2.3.2.2 Visco-capillary two-phase flow 16 2.3.2.3 Dilatancy-controlled gas flow 18 2.3.2.4 Fracture-controlled gas flow 19 3 NUMERICS AND METHODOLOGY 3.1 Balance equations 21 3.2 Mechanical models 23 3.3 Enhanced permeability functions 24 3.4 Spatial heterogeneity 27 3.5 Bimodal water retention in bentonite 29 4 APPLICATION AND MODEL DESCRIPTION 36 4.1 Application within the DECOVALEX Project 36 4.1.1 Task A – COx claystone 37 4.1.2 Task B – MX-80 Bentonite 38 4.2 Additional gas flow tests 40 III Simulations 5 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH MX-80 BENTONITE 5.1 Heterogeneous Gas Entry Pressure from Measurements (Paper I) 45 5.2 Bimodal Heterogeneous Gas Entry Pressure (Paper II) 46 5.3 Strain-dependent Bimodal Water Retention Model (Paper III) 47 5.4 Strain-dependent Pore-Model with Heterogeneity 48 6 RESULTS OF GAS FLOW TESTS WITH COX CLAYSTONE (PAPER IV) 51 7 DISCUSSION 53 IV Summary 8 CONCLUSIONS AND OUTLOOK 57 A APPENDIX A 72 A.1 List of Publications 72 B APPENDIX B B.1 Paper I 75 B.2 Paper II 87 B.3 Paper III 109 B.4 Paper IV 121

Der Ursprung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECRs) benötigt Modelle der photonuklearen kosmischen Strahlungsinteraktionen. In dieser Arbeit stelle ich Modelle vor, die drei Aspekte der Modellierung der Hochenergie-Astronuklearphysik verbessern: die Photomesonenproduktion durch Kerne der kosmischen Strahlung, die schwerer als Protonen sind, die Gammastrahlenemission von instabilen Kernen, die durch den Photodisintegrationsprozess der kosmischen Strahlung erzeugt werden, und die Simulation der extragalaktischen Ausbreitung von Kernen, die schwerer als Eisen sind (sogenannte superschwere Isotope). Das Photomesonenmodell ist das erste in der Literatur, das über das einfache Prinzip der Nukleonen-Superposition hinausgeht. Es liefert eine detailliertere Beschreibung der inelastischen Wirkungsquerschnitte und des emittierten Spektrums von Sekundärteilchen, einschließlich Isotopen und Pionen, die zu Photonen und Neutrinos führen. Die Auswirkungen des Modells werden in Simulationen von Gammastrahlenausbrüchen und Gezeitenstörungsereignissen gezeigt, und es beeinflusst signifikant die hochenergetische Neutrinoemission, die chemische Zusammensetzung und das Spektrum der emittierten UHECRs. Das zweite Modell beschreibt die Photoproduktion aus den De-Exzitationen und Zerfällen instabiler Kerne, die aus dem Photozerfall der kosmischen Strahlung in Wechselwirkung mit astrophysikalischen Photonen resultieren sollen. Ihre Wirkung wird am Photoemissionsspektrum des Kerns von Centaurus A veranschaulicht und mit ähnlichen Arbeiten verglichen, mit denen es Unstimmigkeiten gibt. Schließlich wird der Photodesintegration von UHECR überschweren Kernen diskutiert. Eine Wechselwirkungstabelle wird unter Verwendung von Querschnitten aus TALYS konstruiert, und die Wechselwirkungsraten werden im Zusammenhang mit der extragalaktischen Ausbreitung berechnet. Überschwere Kerne breiten sich in bestimmten Energiebereichen weiter aus als leichtere Kerne. / The origin of the ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unknown. Photonuclear interactions of cosmic rays are key to understanding this problem in a multimessenger context. Nuclear physics insights are crucial in building accurate models to interpret the data that indicates UHECR can be heavier than protons. This thesis presents models that improve three aspects of high-energy astronuclear physics modelling: photomeson production by cosmic-ray nuclei heavier than protons, gamma-ray emission from unstable nuclei created by the photodisintegration of cosmic rays, and the simulation of extragalactic propagation of nuclei heavier than iron (so-called superheavy isotopes). The photomeson model is the first in the literature to go beyond the simple principle of nucleon superposition. It provides a more accurate description of the inelastic cross sections, and the emitted spectrum of secondary particles, including isotopes and pions which lead to photons and neutrinos.The model’s impact is shown in simulations of gamma-ray bursts and tidal disruption events, and it affects significantly the high-energy neutrino emission, the chemical composition and the spectrum of the emitted UHECRs. The second model describes photoproduction from de-excitations and decay of unstable nuclei, which are expected to be produced in photo-disintegration of cosmic rays interacting with astrophysical photons. Its impact is illustrated in the photo-emission from the core of the Centaurus A and compared to similar works with which is in disagreement. This supports the need for sufficiently accurate models. Lastly, the photodisintegration of UHECR superheavy nuclei is discussed. An interaction table is produced with cross sections obtained from TALYS and the interaction rates computed in the context of extragalactic propagation. Superheavy nuclei propagate further than lighter nuclei in certain energy ranges. The models developed are publicly available as open-source software.

The propagation code PriNCe, which is discussed in Chapter 4 of this thesis, has since been published. The open-source code is available at https://github.com/joheinze/PriNCe. / Utrahochenergetische kosmische Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR) besteht aus ionisierten Atomkernen mit den höchsten Teilchenergien, die je gemessen wurden. Zwar wurden die Quellen von UHECRs noch nicht eindeutig identifiziert, doch gibt es deutliche Anzeichen, dass sie extragalaktisch sind. Um die Beobachtungen zu interpretieren, wird ein Modell der Wechselwirkungen mit Photofeldern sowohl in der Quelle als auch während der extragalaktischen Propagation benötigt. Bei diesen Wechselwirkungen werden sekundäre Neutrinos erzeugt. Diese Dissertation behandelt Modelle der Quellen von UHECRs und die damit verbundene Produktion von Neutrinos sowohl in den Quellen als auch während der Propagation. Dafür wurde ein neuer Code, PriNCe, für die Propagation von UHECRs entwickelt. Dieser Code wird in einem umfangreichen Parameterscan für ein generisches Quellenmodell angewendet, welches mit dem Spektralindex, der maximalen Rigidität, der kosmologischen Quellenverteilung und der chemischen Komposition als freie Parameter definiert ist. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Photodisintegrations- und Luftschauermodellen auf die erwarteten Eigenschaften der Quellen demonstriert. Der Fluss kosmogenischer Neutrinos, der sich daraus robust vorhersagen lässt, liegt außerhalb der Reichweite aller derzeit geplanten Neutrinodetektoren. GRBs als mögliche Quellen von UHECRs werden im Multi-Collision Internal-Shock Modell simuliert, welches die Abhängigkeit der Strahlungsprozesse von den verschiedenen Dissipationsradien im Plasmajet berücksichtigt. Für dieses Modell wird der Effekt demonstriert, den verschiedene Annahmen über die anfängliche Verteilung des Plasmajets und das hydrodynamische Modell auf die resultierende UHECR- und Neutrinosstrahlung haben. Für den Gammastrahlenblitz GRB170817A, welcher zusammen mit einem Gravitationswellensignal beobachtet wurde, werden Vorhersagen für den Neutrinofluss und ihre Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel gemacht. / Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe. While the astrophysical sources of UHECRs have not yet been uniquely identified, there are strong indications for an extragalactic origin. The interpretation of the observations requires both simulations of UHECR acceleration and energy losses inside the source environment as well as interactions during extragalactic propagation. Due to their extreme energies, UHECR will interact with photons in these environments, producing a flux of secondary neutrinos. This dissertation deals with models of UHECR sources and the accompanying neutrino production in the source environment and during extragalactic propagation. We have developed a new, computationally efficient code, PriNCe, for the extragalactic propagation of UHECR nuclei. The PriNCe code is applied for an extensive parameter scan of a generic source model that is described by the spectral index, the maximal rigidity, the cosmological source evolution and the injected mass composition. In this scan, we demonstrate the impact of different disintegration and air-shower models on the inferred source properties. A prediction for the expected flux of cosmogenic neutrinos is also derived. GRBs are discussed as specific UHECR source candidates in the multi-collision internal-shock model. This model takes the radiation from different radii in the GRB outflow into account. We demonstrate how different assumptions about the initial setup of the jet and the hydrodynamic collision model impact the production of UHECRs and neutrinos. Motivated by the multi-messenger observation of GRB170817A, we discuss the expected neutrino production from this GRB and its dependence on the observation angle. We show that the neutrino flux for this event is at least four orders of magnitude below the detection limit for different geometries of the plasma jet.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Astrophysik. Gammastrahlenblitze (GRBs) galten als potentielle Quellen, da sie zu den energetischsten Ereignissen im Universum zählen. Konventionelle Szenarien sind jedoch durch Neutrinodaten stark eingeschränkt. Außerdem weisen Messungen der chemischen Zusammensetzung kosmischer Strahlen auf schwere Kerne hin, welche in zu dichten Strahlungsfeldern disintegrieren würden. Um dieses Dilemma zu umgehen deuten neue Studien auf versteckte Beschleuniger hin, welche schwer zu detektieren sind. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Ansätze um nukleare Prozesse in astrophysikalischen Quellen effizient und selbstkonsistent zu berechnen. Wir quantifizieren diese Wechselwirkungen anhand der nuklearen Kaskade, welche die Disintegration schwerer Kerne in leichtere Fragmente beschreibt. Auch in umfassenden Modellen, wie sie in dieser Arbeit entwickelt werden, sind GRBs durch Neutrinodaten unter Druck. Dennoch zeigen wir, dass eine Population von GRBs niedriger Luminosität konsistent mit derzeitigen Messungen ist und zugleich auch das Spektrum und die Zusammensetzung kosmischer Strahlung über den Knöchel hinweg sowie Neutrinodaten beschreiben kann. Aus unserer Prozedur können wir zusätzlich weitere Quelleneigenschaften wie die baryonische Ladung oder die Ereignisrate bestimmen. Wir zeigen weiter, dass auch von schwarzen Löchern zerrissene Sterne mögliche Kandidaten eines gemeinsamen Ursprungs der gemessenen kosmischen Strahlung und PeV-Neutrinos sind. Sie können jedoch durch kosmogenische Neutrinos von LLGRBs abgegrenzt werden. Schließlich wenden wir unser Modell auf das Gravitationswellenereignis GW170817 an. Wir zeigen für verschiedene Jet-Szenarien, dass der erwartete Neutrinofluss weit unter der Sensitivität derzeitiger Instrumente liegt. Dennoch könnten verschmelzende Neutronensterne die kosmische Strahlung unterhalb des Knöchels erklären. / The origin of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is still one of the most important open questions in astrophysics. Gamma-Ray Bursts (GRBs) were considered as potential sources as they are among the most energetic events known in the Universe. However, conventional GRB scenarios are strongly constrained by astrophysical neutrino data. In addition, cosmic ray composition measurements indicate the presence of heavy nuclei, which would disintegrate if the radiation fields in the source were too dense. In order to circumvent this dilemma, recent studies point towards hidden accelerators, which are intrinsically hard to detect. In this dissertation, we present novel approaches to efficiently and self-consistently calculate the nuclear processes in astrophysical sources. We quantify these interactions by means of the nuclear cascade, which describes the subsequent disintegration of heavy nuclei into lighter fragments. Even in sophisticated source-propagation models, as the ones developed in this thesis, conventional GRBs are in tension with neutrino data. However, we demonstrate that a population of low-luminosity GRBs is not only consistent with current constraints, but can even describe the UHECR spectrum and composition across the ankle as well as neutrino data simultaneously. From our fitting procedure we can further constrain certain source properties, such as the baryonic loading and the event rate. Furthermore, we show that stars disrupted by black holes are viable candidates for a simultaneous description of cosmic ray and PeV neutrino data too. However, they can be discriminated from LLGRBs by cosmogenic neutrinos. Finally, we apply our model to GW170817. We show for different jet scenarios that the expected neutrino flux is orders of magnitude below the sensitivity of current instruments. Nevertheless, binary neutron star mergers could in principle support cosmic rays below the ankle.

Die Dissertation setzt sich mit den fotografischen Repräsentationen der Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki sowie der Havarie des Kernkraftwerks Tschernobyl auseinander. Dabei werden künstlerische, dokumentarische und touristische Bilder analysiert, die sich der jeweiligen Strahlenkatastrophe oftmals erst Jahre nach dem Ereignis annehmen und ikonografische oder medial-materielle Bezüge zu ihr aufweisen. Es zeigen sich zentrale Strategien, atomare Katastrophen, seien sie militärischer oder ziviler Natur, in fotografische Bilder überzuführen. Gerade das eigentliche Unvermögen, die visuell nicht sichtbaren Strahlenemissionen oder die Komplexität der Vorgänge auf atomarer Ebene zu visualisieren, hat sich als prägend erwiesen und bestimmt als Paradigma der Unsichtbarkeit die kulturelle Rezeption der Ereignisse. Es ist dieser Umgang mit den Abstraktionspotentialen der nuklearen Technologie, die im aktuellen Spannungsfeld ökologischer, sozialer und energietechnologischer Bildpolitik ihre Relevanz stets von neuem unter Beweis stellt. / The dissertation project seeks to analyse the photographic positions that deal with the atomic bomb attacks on Hiroshima and Nagasaki and the accident of the nuclear power plant in Chernobyl. This focus includes press photographs of the events as well as artistic, documentary and touristic images that take an approach towards the disasters often years after and hereby form iconographic or material references to the events. The study reveals central strategies for photographic images of atomic catastrophes, be they of military or civil nature. It is the inability to visualize non-visible nuclear rays or the complexity of processes on an atomic level that has turned out to be crucial. This incapacity of making images, a paradigm of invisibility, substantially coins the cultural role of the events. The question of how a society deals with these abstract potentials of nuclear technology has turned out to be always anew of high relevance in regard to ecological, social and technological policies of images.