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.

Durch die Entwicklung und Einführung moderner Fahrerassistenzsysteme soll der Komfort und die Sicherheit des Autofahrens erhöht werden. Das Fahrerassistenzsystem Speed Control verbindet die Ergebnisse der Forschungsarbeiten der letzten Jahre aus dem Bereich des Straßenentwurfs und der Fahrzeugtechnik. Dieses System warnt den Kraftfahrer vor sicherheitskritischen Stellen in der Linienführung von Außerortsstraßen. Es empfiehlt dem Fahrer eine sicher und komfortabel fahrbare Geschwindigkeit für den vorausliegenden Streckenabschnitt. Dafür wurden in Abhängigkeit des Fahrertyps Modelle zur Prognose und Beschreibung des Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhaltens entwickelt. Die Umgebungsbedingungen (Tag, nass) werden dabei mit beachtet. / By developing and implementing modern driver assistance systems the comfort and safety of driving shall be improved. The driver assistance system Speed Control combines the last year’s research work results in the fields of road design and automotive engineering. This system alerts the driver to safety critic spots in the alignment of roads. It recommends a safe and comfortable driving speed for the road segment ahead. Therefore driver type depending models to predict and describe the speed and acceleration behaviour were developed. Withal environmental conditions (day, wet) are regarded.

The system code TRACE is the latest development of the U.S. Nuclear Regulatory Commission (US NRC). TRACE, developed for the analysis of operational conditions, transients and accidents of light water reactors (LWR), is a best-estimate code with two fluid, six equation models for mass, energy, and momentum conservation, and related closure models. Since TRACE is mainly applied to LWR specific issues, the validation process related to innovative nuclear systems (liquid metal cooled systems, systems operated with supercritical water, etc.) is very limited, almost not existing. In this work, essential contribution to the validation of TRACE related to lead and lead alloy cooled systems as well as systems operated with supercritical water is provided in a consistent and corporate way. In a first step, model discrepancies of the TRACE source code were removed. This inconsistencies caused the wrong prediction of the thermo physical properties of supercritical water and lead bismuth eutectic, and hence the incorrect prediction of heat transfer relevant characteristic numbers like Reynolds or Prandtl number. In addition to the correction of the models to predict these quantities, models describing the thermo physical properties of lead and Diphyl THT (synthetic heat transfer medium) were implemented. Several experiments and numerical benchmarks were used to validate the modified TRACE version. These experiments, mainly focused on wall-to-fluid heat transfer, revealed that not only the thermo physical properties are afflicted with inconsistencies but also the heat transfer models. The models for the heat transfer to liquid metals were enhanced in a way that the code can now distinguish between pipe and bundle flow by using the right correlation. The heat transfer to supercritical water was not existing in TRACE up to now. Completely new routines were implemented to overcome that issue. The comparison of the calculations to the experiments showed, on one hand, the necessity of these changes and, on the other hand, the success of the new implemented routines and functions. The predictions using the modified TRACE version were close to the experimental data. After validating the modified TRACE version, two design studies related to the Generation IV International Forum (GIF) were investigated. In the first one, a core of a lead-cooled fast reactor (LFR) was analyzed. To include the interaction between the thermal hydraulic and the neutron kinetic due to temperature and density changes, the TRACE code was coupled to the program system ERANOS2.1. The results gained with that coupled system are in accordance with theory and helped to identify sub-assemblies with the highest loads concerning fuel and cladding temperature. The second design which was investigated was the High Performance Light Water Reactor (HPLWR). Since the design of the HPLWR is not finalized, optimization of vital parameters (power, mass flow rate, etc.) are still ongoing. Since most of the parameters are affecting each other, an uncertainty and sensitivity analysis was performed. The uncertainty analysis showed the upper and lower boundaries of selected parameters, which are of importance from the safety point of view (e.g., fuel and cladding temperature, moderator temperature). The sensitivity study identified the most relevant parameters and their influence on the whole system.

With the advent of autonomous driving, concepts like road trains or platoons are becoming more popular. In these arrangements, vehicles travel at separations of only 5 to 10m between them. These short inter-vehicle distances allow compacting vehicle flows resulting in increased throughput on highways. In addition, there are also fuel/energy savings as the magnitude of aerodynamic resistance acting on vehicles is reduced. These benefits increase when reducing inter-vehicle separations to below 5m. However, it becomes extremely difficult to guarantee safety, especially, when braking in an emergency. The longitudinal and lateral control systems developed so far aim to achieve string stability in the cruise scenario, i.e., to prevent that small variations at the lead magnify towards the trail. Unfortunately, this has no relevance during emergency braking, since control systems incur saturation, i.e., the condition where computed output brake forces exceed those that can be applied by actuators. This is because all vehicles have to apply their maximum brake forces in order to minimize the stopping distance of the platoon and reach a complete standstill. As a result, emergency braking requires special attention and needs to be designed and verified independent of the cruise scenario. Braking in an emergency is mainly characterized by the problem of heterogeneous deceleration capabilities of vehicles, e.g., due to their type and/or loading conditions. As a result, a deceleration rate possible by one vehicle may not be achievable by its immediately leading or following vehicles. Not addressing this heterogeneity leads to inter-vehicle collisions. Moreover, transitions in the road profile increase the complexity of such brake maneuvers. Particularly, when there is a transition from a flat road to a steep downhill, an already saturated brake controller cannot counteract the effect of the downhill slope. Hence, its deceleration magnitude will be reduced, potentially leading to intra-platoon crashes that would otherwise not occur on a flat road. In this work, we first analyze the problem of emergency braking in platoons operating at inter-vehicle separations below 5m and under idealized conditions (i.e., flat road, instantaneous deceleration, etc.). For this case, we propose a cyber-physical approach based on exploiting space buffers that are present in the separations between vehicles, and compare it with straightforward schemes (such as Least Platoon Length and Least Stopping Distance) in terms of achieved aerodynamic benefits, overall platoon length, and stopping distance. We then consider realistic conditions (in particular, changing road profiles as mentioned before) and investigate how to design a brake-by-wire controller present at each vehicle that accounts for this. We further extend our proposed cyber-physical approach by adding cooperative behavior. In particular, if an individual vehicle is unable to track its assigned deceleration, it coordinates with all others to avoid inter-vehicle collisions, for which we propose a vehicle-to-vehicle (V2V) communication strategy. Finally, we present a detailed evaluation of the proposed cyber-physical approach based on high-fidelity vehicle models in Matlab/Simulink. Even though more work is needed towards a real-life implementation, our simulation results demonstrate benefits by the proposed approach and, especially, its feasibility.

Properly inerting a fuel cell is an essential function for the safety and durability of the product. DAM designs and produces a bypass valve to effectively inert the fuel cell while maintaining the oxidant gas flow in the compressor. The system provides a short closing and opening response time less than 100 ms, while consuming very little energy. In addition to cutting off the oxidant gas supply, the valve can be used to drain the fuel cell, optimize the shutdown and startup cycles, and even optimize the inerting of the fuel cell through the hydrogen circuit. DAM has already produced valve prototypes in diameters 16 mm and 50 mm which are currently in the test phase with first successful results, and whose functions can be extended with a position sensor or heating system. / Die geeignete Inertisierung einer Brennstoffzelle ist eine wesentliche Funktion für die Sicherheit und Lebensdauer des Produkts. DAM entwickelt und produziert ein Bypass-Ventil, das die Brennstoffzelle effektiv inertisiert und gleichzeitig den Oxidationsmittel-Gasstrom im Kompressor aufrechterhält. Das System bietet eine kurze Schließ- und Öffnungszeit von weniger als 100 ms und verbraucht dabei sehr wenig Energie. Neben der Unterbrechung der Oxidationsgaszufuhr kann das Ventil auch zum Entleeren der Brennstoffzelle, zur Optimierung der Abschalt- und Anfahrzyklen und sogar zur Optimierung der Inertisierung der Brennstoffzelle durch den Wasserstoffkreislauf eingesetzt werden. DAM hat bereits Ventilprototypen in den Durchmessern 16 mm und 50 mm hergestellt, die sich derzeit mit ersten Erfolgen in der Testphase befinden und deren Funktionen durch einen Positionssensor oder ein Heizsystem erweitert werden können.

Darstellung der Veränderungen: - zur Konzeption der nationalen Sicherheit der RF, - beim Sicherheitsrat der RF, - im Entwurf der neuen Militärdoktrin. Arbeitsübersetzung aus dem Russischen: Konzeption der nationalen Sicherheit der Russischen Föderation vom 17. Dezember 1997.:Autorenbeitrag: 1. Die Konzeption der nationalen Sicherheit 2. Veränderungen beim Sicherheitsrat 3. Der Entwurf der neuen Militärdoktrin Anlagen, Arbeitsübersetzung aus dem Russischen: (1) Ukas des Präsidenten der Russischen Föderation über die Bestätigung und Wortlaut der 'Konzeption der nationalen Sicherheit der Russischen Föderation'. (2) Ukas des Präsidenten der Russischen Föderation „Über einige Maßnahmen zur Vervollkommnung der staatlichen Führung in den Bereichen Verteidigung und Sicherheit“.

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internetfähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird.

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