Verfügbare Bachelor- und Masterarbeitsthemen
Verfügbare Bachelor- und Masterarbeitsthemen
Die Froschungsgruppe Science for Nuclear Diplomacy bietet Bachelor- und Masterarbeitsprojekte im Bereich der nuklearen Verifikation und Abrüstung für Physikstudenten an. Die Studierenden führen physikalische Simulationen und statistische Datenanalysen im Zusammenhang mit aktuellen Forschungsprojekten der Gruppe „Science for Nuclear Diplomacy“ durch.
Für die Analysen werden Python und C++ verwendet, für die keine Vorkenntnisse erforderlich sind und die im Rahmen der Diplomarbeit erworben werden können. Die Betreuung findet in Darmstadt oder Frankfurt statt. Informationen zu möglichen Themen finden Sie unten. Bei Interesse an einem Thema wenden Sie sich bitte an die jeweilige, unten aufgeführte betreuende Person, um weitere Informationen zu erhalten.
M.Sc.
In nuklearer Archäologie sind wir an den ursprünglichen Bestrahlungsparametern eines Kernreaktors interessiert. Es ist möglich, diese Parameter mit der Kenntnis des Reaktordesigns und forensischen Messungen der Isotopenzusammensetzung zu berechnen. Diese Analyse erfordert jedoch die Lösung eines inversen Problems, was eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt. Ein Ansatz für dieses Problem ist die Berechnung einer Posterior Verteilung der Parameter mit „Markov Chain Monte Carlo“, eine Technik des maschinellen Lernens. Diese Methode hat sich in der Vergangenheit als nützlich erwiesen, aber es treten verschiedene Herausforderungen auf, die durch die Anwendung eines speziellen Typs neuronaler Netze, der "conditional invertible neural network", gelöst werden könnten. Die Arbeit wird sich auf die Implementierung beider Techniken und einen umfassenden Vergleich zwischen ihnen konzentrieren, um die Vorteile des Einsatzes einer der beiden Techniken in einem nuklearen Archäologie Kontext zu bewerten.
Dabei lernen Sie:
- Lösen von Problemen der inversen Physik
- Anwendung fortgeschrittener Techniken des maschinellen Lernens und des Deep Learning
- Arbeiten auf einem Hochleistungs-Rechencluster
B.Sc. & M.Sc.
Das Herzstück jeder Atomwaffe ist ein Kern aus so genanntem spaltbarem Material - in der Regel Plutonium, das in einem Kernreaktor hergestellt wurde. Solides Wissen über den Betrieb dieser Reaktoren ist daher aus Abrüstungssicht von großer Bedeutung. Die Nukleararchäologie versucht, dieses Wissen rückwirkend zu gewinnen, indem sie die Spuren misst und analysiert, die der Betrieb im Reaktor selbst hinterlassen hat - z. B. durch Bestrahlung von Reaktorrohren. Die Untersuchung dieser Fragestellung umfasst nicht nur die Simulation der Entstehung dieser Spuren mit Hilfe eines Computermodells, sondern auch die Extraktion der relevanten Informationen und die inverse Rekonstruktion des Reaktorbetriebs. Ein Ansatz, der für diese Rekonstruktion verwendet werden kann, ist die statistische Methode der Bayes'schen Inferenz. Nach einer Einführung in die Thematik und die Physik und einer Einarbeitung in die Simulationen werden Sie je nach Level der Abschlussarbeit verschiedene Aspekte untersuchen, wie die für die Rekonstruktion verfügbaren Informationen das erzielte Ergebnis beeinflussen.
Dabei lernen Sie:
- Physikalische Grundlagen des Reaktorbetriebs
- Modellierung und Simulation von Reaktoren
- Lösen inverser Probleme
- Bayes'sche Inferenz & MCMC-Methoden
- Nutzung des Clusters
B.Sc.
Kernreaktoren gewinnen Energie, indem sie Kernspaltungen im Reaktorbrennstoff auslösen. Die dabei freigesetzten Neutronen wandern durch den Reaktor, treten mit den umgebenden Materialien in Wechselwirkung, und einige von ihnen lösen neue Spaltungen aus und treiben die Kettenreaktion im Herzen des Reaktors an. Eine physikalische Beschreibung des Reaktorbetriebs besteht also aus einem Wechselspiel zwischen der Neutronenbewegung und den durch Wechselwirkungen verursachten Materialveränderungen - ein Wechselspiel, das so komplex ist, dass exakte analytische Berechnungen unmöglich sind. Stattdessen müssen Computermodelle und Simulationen eingesetzt werden, um diese Prozesse numerisch zu beschreiben. In dieser Arbeit geht es um praktische Überlegungen bei der Durchführung solcher Simulationen. Nachdem Sie die zugrundeliegende Physik sowohl in ihrer realen als auch in ihrer numerisch angenäherten Form kennengelernt und eine eigene Testsimulation erstellt haben, werden Sie den Einfluss der der Simulation innewohnenden Entscheidungen auf ihre Ergebnisse untersuchen. Es geht dabei um Fragen wie: “Wie viele Neutronen sollten simuliert werden?“, “Wie feinkörnig sollte die Zeitskala sein?”, und mehr.
Dabei lernen Sie:
- Physikalische Grundlagen des Reaktorbetriebs
- Modellierung und Simulation von Reaktoren
- Nutzung des Clusters
M.Sc.
Kosmische Strahlen produzieren einen allgegenwärtigen Signaluntergrund in Detektoren an der Erdoberfläche, da hoch energetische Myonen mit einer Energie von mehreren GeV mit einer Rate von ca. 1 Hz/m2 einfallen. Diese kosmischen Myonen durchdringen die Substanz der meisten Gebäude, sowie von leicht abgeschirmten Einrichtungen. Diese Myonen werden in der oberen Atmosphäre produziert - daher verändern meteorologische Bedingungen das Myonensignal und hinterlassen einen "Fingerabdruck" im Signaluntergrund von Detektoren.
Im Rahmen dieses Projekts wird die Raten-, Energie- und Winkelabhängigkeit der einfallenden Myonen im Bezug auf meteorologische Bedinungen mit Hilfe von Computersimulationen untersucht. Anschließend wird untersucht, ob und wie sich dieser "Fingerabdruck" nutzen lässt, um Verifikationsmessungen fälschungssicher zu machen durch Korrelation des Myonensignals mit Wetterbedingungen.
Dabei lernen Sie:
- Physik der kosmischen Strahlung
- Muographietechniken
- Monte-Carlo-Simulationen (GEANT4)
- C++/Python
M.Sc.
Kosmische Myonen sind eine natürliche, materialdurchdringende Hintergrundstrahlung. Die relative Abschirmung von Myonen durch Material kann genutzt werden, um Strukturen mittels Muographie zu durchleuchten. Traditionell wird bei muographischen Methoden entweder die Veränderung der Myonenrate (einseitige Messungen) oder die Streuung von Myonen im Inneren einer Struktur (zweiseitige Messungen) untersucht. Energieinformationen der Myonen werden in der Regel jedoch nicht genutzt, da die vollständige Absorption von Myonen meist mehrere Meter tiefe Detektoren benötigt.
Sich in Entwicklung befindliche Konzepte zur Überwachung von Nuklearanlagen und Reaktoren sehen jedoch den Einsatz von Antineutrino-Detektoren vor, die mehrere Kubikmeter aktives Volumen umfassen. Im Rahmen dieses Projekts werden daher Computersimulation eingesetzt, um das Energiespektrum von Myonen nach dem Passieren von verschiedenen Materialien in Kernanlagen, wie Beton, Stahl oder Kernbrennstoff, zu analysieren. Durch die Kombination dieser Energiemessung mit regulärer Muographie soll festegestellt werden, ob sich dieser Ansatz zur effizienteren oder genaueren Unterscheidung verschiedener Materialien eignet.
Dabei lernen Sie:
- Physik der kosmischen Strahlung
- Muographietechniken
- Monte-Carlo-Simulationen (GEANT4)
- C++/Python
M.Sc.
Bei der Verifikation der nuklearen Abrüstung ist es von entscheidender Bedeutung, nukleare Gefechtsköpfe vor der Demontage authentifizieren zu können und so sicherzustellen, dass es sich bei dem zu demontierenden Objekt tatsächlich um einen nuklearen Gefechtskopf und nicht um eine täuschende Nachbildung handelt. Ein Ansatz, der zu diesem Zweck angewandt werden kann, ist die Verwendung ihrer passiven radioaktiven Emissionen in Form von Gammastrahlen oder Neutronen als Signatur zur Identifizierung. Dies setzt voraus, dass die Signature, die von einer bestimmten Kombination aus Messinstrument und gemessenem Objekttyp erhaltenen wird, eindeutig ist. Andernfalls bestünde die Möglichkeit der Täuschung, indem ein Akteur, der unter einer Inspektion steht, die Signatur mit anderen Materialien oder Geometrien replizieren könnte. In diesem Projekt werden daher die geometrischen Auswirkungen unterschiedlicher Konfigurationen von Gefechtskopf und Detektor auf die gewonnenen Neutronensignaturen und deren Einzigartigkeit untersucht. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe von Simulationswerkzeugen die Methode der Neutronenmultiplikatorenzählung implementiert.
Dabei lernen Sie:
- Neutronenmultiplikationszählung
- Durchführung von Monte-Carlo-Simulationen (einschließlich Geant4)
- Verwendung des Clusters
M.Sc.
Kernresonanzfluoreszenz (NRF) ist ein Prozess, bei dem ein Atomkern nach der Absorption von Gammastrahlung angeregt wird und anschließend durch die Emission einer oder mehrerer resonanter Gammastrahlen abgeregt wird. Die Energie der emittierten Gammastrahlung hängt von der Verteilung der Kernenergieniveaus ab und kann daher als Signatur zur Identifizierung bestimmter Elemente und sogar Isotope verwendet werden. Proben können also untersucht werden, indem man die in ihnen vorhandenen Kerne mit einem Photonenstrahl anregt und die dadurch gestreuten oder emittierten Gammastrahlen nachweist. Da die Energie der Gammastrahlen hoch genug ist, um Abschirmungsmaterialien zu durchdringen, kann diese Technik zur zerstörungsfreien Untersuchung der inneren Zusammensetzung von Objekten eingesetzt werden. Bei der Überprüfung von nuklearer Abrüstung und der Nichtverbreitung von Kernwaffen bietet dies die Möglichkeit, Objekte wie Behälter, Sprengköpfe oder Anlagen zu untersuchen. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung eines Monte-Carlo-Simulationsmodels zur Untersuchung des Einsatzes von NRF in relevanten Verifikationsszenarien.
Dabei lernen Sie:
- Kernresonanz-Fluoreszenztechnik
- Durchführung von Monte-Carlo-Simulationen (einschließlich Geant4)
- Verwendung des Clusters
