הפרדה אלקטרומגנטית להעשרת אורניום נזנחה לאחר המלחמה לטובת שיטת ההפרדה בדיפוזיה גזית, שהייתה מסובכת יותר אך גם יעילה יותר. אף שמרבית הקלוטרונים של פרויקט מנהטן פורקו בסוף המלחמה, חלקם נותרו בשימוש כדי לייצר דגימות מועשרות של איזוטופים של יסודות שנכרו בטבע, למטרות צבאיות, מדעיות ורפואיות.
התחלת המחקר.
הידיעות על גילוי ביקוע גרעיני על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן בשנת 1938, והסברם התאורטי של הפיזיקאים ליזה מייטנר ואוטו פריש לתופעה, הובאו לארצות הברית על ידי הפיזיקאי הדני נילס בוהר. בהתבסס על 'מודל טיפת הנוזל' שלו של גרעין האטום, הגיע בוהר למסקנה שהאיזוטופ אורניום-235, ולא האורניום-238 המצוי בשפע גדול יותר בטבע, הוא המתבקע בהפצצת נייטרונים תרמיים. כדי לאמת זאת, השתמש אלפרד נייר מאוניברסיטת מינסוטה בספקטרומטר מסה כדי ליצור כמות זעירה של אורניום-235 טהור באפריל 1940, ואז הצליחו ג'ון דנינג, אריסטיד פון גרוס ויוג'ין בות לאשר כי בוהר צדק. לאו סילארד וולטר צין אישרו במהרה כי יותר מנייטרון אחד משתחרר בכל ביקוע, מה שהביא למסקנה שנוצרת תגובת שרשרת גרעינית בתהליך, ומכאן הייתה הדרך קצרה להבנה שאפשר לנצל את התהליך ליצירת פצצה גרעינית רבת עוצמה. הגילוי הביא לחשש גדול שפצצת אטום גרמנית כבר נמצאת בשלבי פיתוח, במיוחד בקרב מדענים שהיו פליטים מגרמניה הנאצית וממדינות פשיסטיות עוינות אחרות.
באוניברסיטת ברמינגהאם בבריטניה הטיל הפיזיקאי האוסטרלי מארק אוליפנט על שני פיזיקאים יהודיים, פליטים של המשטר הנאצי – אוטו פריש ורודולף פיירלס – את המשימה לחקור את היתכנותה של פצצה אטומית. למרבה האירוניה, למרות פרסומם כפיזיקאים מהשורה הראשונה, מעמדם כזרים שהגיעו ממדינת אויב מנע את העסקתם בפרויקטים סודיים כמו פיתוח מכ"ם. מתזכיר פריש-פיירלס , שפרסמו במרץ 1940, עולה כי המסה הקריטית של אורניום-235 הייתה בסדר גודל של 10 ק"ג, שהיה משקל קטן מספיק כדי שמטוס הפצצה של אותה עת יישא אותו. ועדת MAUD הבריטית, שהוקמה כתוצאה ממסקנות תזכיר פריש-פיירלס ועסקה בנושאי גרעין, המליצה אז פה אחד להמשיך בפיתוח פצצת האטום. בריטניה הציעה להעניק לארצות הברית גישה למחקר המדעי שלה. ג'ון קוקרופט, חבר המשלחת הבריטית שיצאה לארצות הברית בספטמבר 1940 כדי לעודד שיתוף פעולה מדעי בין שתי המדינות, תיאר למדענים האמריקנים את ההתפתחויות המדעיות שהושגו בבריטניה. הוא גילה שפרויקט הגרעין האמריקני קטן יותר ופחות מתקדם מהפרויקט הבריטי.
גם אוליפנט טס לארצות הברית כדי לדבר עם המדענים האמריקאים. הוא נפגש עם ארנסט לורנס במעבדת הקרינה שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. השניים הכירו עוד מלפני המלחמה והיו חברים. לורנס התרשם מספיק כדי להתחיל במחקר משלו על אורניום.
אורניום-235 מהווה רק כ-0.72% מהאורניום הטבעי, ולכן גורם ההפרדה של תהליך העשרת אורניום צריך להיות גבוה מ-125 כדי לייצר מאורניום טבעי גוש של אורניום בקיע שמורכב לפחות מ-90% אורניום-235. ועדת MAUD המליצה לעשות זאת בתהליך של דיפוזיה גזית, אולם אוליפנט, שהיה מראשוני המפתחים והמשתמשים בהפרדה אלקטרומגנטית, העדיף אותה. זו גם הייתה הטכנולוגיה שבה השתמש אלפרד נייר.
העיקרון של ההפרדה האלקטרומגנטית הוא שיונים טעונים מוסטים בהשפעת שדה מגנטי, ויונים קלים מוסטים יותר מאשר יונים כבדים. הסיבה שוועדת MAUD הבריטית, ומאוחר יותר מקבילתה האמריקאית, ועדת S-1 של המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD), לא בחרו בהפרדה האלקטרומגנטית הייתה שעל אף שספקטרומטר המסה היה מסוגל להפריד איזוטופים, תפוקתו הייתה נמוכה מאוד. הסיבה לכך הייתה מה שמכונה מגבלת מטען מרחבי. ליונים חיוביים יש מטען חיובי, ולכן הם נוטים לדחות זה את זה, מה שגורם לאלומת היונים להתפזר. על פי ניסיונו בשליטה מדויקת על אלומות חלקיקים טעונים מעבודתו עם הציקלוטרון שהמציא, העריך לורנס שמולקולות האוויר בתא הוואקום ינטרלו את היונים, וייצרו קרן ממוקדת. אוליפנט שכנע את לורנס להחליף את ציקלוטרון 37 אינץ' (94 ס"מ) הוותיק שלו, בספקטרומטר מסה ענק להפרדת איזוטופים.
הציקלוטרון עם מגנט 37 אינץ' בברקלי פורק ב-24 בנובמבר 1941, והמגנט שלו שימש ליצירת הקלוטרון הראשון. בדצמבר קיבל לורנס מענק של 400,000 דולר למימון המשך הפיתוח מוועדת האורניום S-1.
הקלוטרון היה בנוי מקופסה עם חריץ שהכילה מקור של יונים וגופי חימום חזקים. אורניום טטרכלורידי (UCl4) יונן בחום, ועבר דרך חריץ של 1.0×50.8 מ"מ לתא ואקום. המגנט החזק הסיט את קרן היונים ב-180 מעלות, אלומת היונים המועשרים נאספה בתא אחד, והאלומות האחרות נאספו בתא איסוף שני.
הקלוטרון הופעל לראשונה ב-2 בדצמבר 1941, ימים ספורים לפני שההתקפה היפנית על פרל הארבור הכניסה את ארצות הברית למלחמת העולם השנייה. בהפעלה זו התקבלה בתא האיסוף של הקלוטרון קרן אורניום של 5 מיקרו-אמפר. התחושה של לורנס לגבי השפעת מולקולות האוויר בתא הוואקום אוששה. הפעלה של הקלוטרון במשך תשע שעות ב-14 בינואר 1942, עם קרן של 50 מיקרו-אמפר, הפיקה 18 מיקרוגרם של אורניום ברמת העשרה של 25% אורניום-235, בערך פי עשרה מכפי שאלפרד נייר הפיק. שיפורים בטכניקה אפשרו לקלוטרון לייצר בפברואר קרן של 1,400 מיקרו-אמפר. בפברואר גם נשלחו 75 מיקרוגרם של דגימות מועשרות ל-30% לבריטים ולמעבדה המטלורגית בשיקגו.
גם חוקרים אחרים ניסו טכניקות העשרה אלקטרומגנטיות של אורניום. באוניברסיטת קורנל המציאה קבוצה בראשות לויד סמית, שכללה את ויליאם פרקינס ותאודור פורסטר, מפריד מגנטי רדיאלי. הם הופתעו מכך שאלומות האורניום היו מדויקות וממוקדות יותר מהצפוי, וכמו לורנס הסיקו כי זו תוצאה של ייצוב הקרן על ידי האוויר בתא הוואקום. בפברואר 1942 אוחד צוותם עם צוותו של לורנס בברקלי.
התפתחות המחקר.
אף שהוכח שהתהליך עובד, עדיין נדרש מאמץ ניכר לפני שניתן יהיה לבדוק אב-טיפוס בשטח. לורנס ריכז צוות של פיזיקאים כדי להתמודד עם הבעיות, כולל דייוויד בוהם, אדוארד קונדון, דונלד קוקסי, תאודור פורסטר, אירווינג לאנגמיור, קנת רוס מקנזי, פרנק אופנהיימר, רוברט אופנהיימר, ויליאם פרקינס, ברנרד פיטרס וג'וזף סלפיאן. בנובמבר 1943 הצטרפה אליהם קבוצת משימה בריטית בראשות אוליפנט, שכללה את הפיזיקאים האוסטרליים הארי מסי ואריק בורופ, ופיזיקאים בריטיים כמו ג'ואן קוראן ותומס אליבון.
ללורנס היה בברקלי ציקלוטרון גדול בבנייה, עם מגנט בגודל 184 אינץ' (470 ס"מ). הוא הוסב לקלוטרון שהופעל לראשונה ב-26 במאי 1942. כמו בגרסת ה-37 אינץ', גם קלוטרון זה נראה במבט מלמעלה כמו אות C ענקית. המפעיל ישב בקטע הפתוח, שממנו ניתן היה לווסת את הטמפרטורה, לכוונן את מיקום האלקטרודות, ואפילו להחליף רכיבים דרך מנעל אוויר במהלך פעולתו. הקלוטרון החדש עם המגנט החזק יותר לא שימש לייצור אורניום מועשר, אלא לניסויים עם מקורות יונים מרובים. היה לפיכך צורך ביותר תאי איסוף, וגם התפוקה גדלה באופן ניכר.
הבעיה הייתה שאלומות היונים התערבו ופגעו זו בזו ויצרו סדרה של תנודות שכונו "גיבוב" (hash). בספטמבר 1942 המציאו רוברט אופנהיימר וסטן פרנקל מעין טריז מגנטי, שמזער את ההפרעה והביא לפליטת אלומות טובות וממוקדות של יוני אורניום. היו אלה יריעות של ברזל ברוחב של כמטר אחד, שחוברו לראשו ולתחתיתו של מכל הוואקום. הטריזים השפיעו בכך שהגדילו מעט את השדה המגנטי בצורה שסייעה במיקוד קרן היונים. העבודה על שיפור הטריזים הללו נמשכה עד 1943.
בורופ ובוהם בחנו לימים את המאפיינים של פריקה חשמלית בשדה מגנטי, הידועה כיום בשם דיפוזיית בוהם. המחקרים שלהם על תכונות של פלזמות תחת השפעה של שדה מגנטי, שימשו לאחר המלחמה במחקרים על היתוך גרעיני מבוקר. בעיות טכניות אחרות היו רגילות יותר אך לא פחות חשובות. למרות שלאלומות היונים הייתה עוצמה נמוכה, הן עדיין יכלו, לאורך שעות פעולה רבות, להמיס את תאי האיסוף. לפיכך נוספה מערכת קירור מים לתאי האיסוף ולמכלים. פותחו גם נהלים לניקוי ה"זבל" שהתעבה בתוך מכל הוואקום. בעיה נוספת הייתה חסימה של החריצים על ידי לכלוך, מה שגרם לאלומות היונים להתפזר, או להיחסם ולהיפסק לחלוטין.
הכימאים נאלצו למצוא דרך לייצר כמויות של אורניום טטרכלורידי (UCl4) מתחמוצת אורניום (נייר השתמש באורניום ברומיד). בתחילה הם ייצרו אותו באמצעות מימן, כדי לחזר את האורניום הטריאוקסידי (UO3) לאורניום דו-חמצני (UO2), שאז הגיב באמצעות פחמן טטרכלורידי (CCl4) לייצור האורניום הטטרכלורידי המבוקש. צ'ארלס קראוס הציע שיטה טובה יותר לייצור אורניום טטרכלורידי בכמות גדולה, שהייתה כרוכה בתגובה של תחמוצת אורניום עם פחמן טטרכלורידי בתנאי חום ולחץ גבוהים. הריאקציה יצרה אורניום פנטכלורידי (UCl5) ופוסגן (COCl2). אורניום טטרכלורידי הוא חומר היגרוסקופי, כך שהעבודה איתו הייתה צריכה להתבצע דרך תיבת כפפות שהוחזקו יבשות באמצעות זרחן פנטאוקסידי (P4O10). נוכחותו של פוסגן, שהוא גז קטלני, חייבה את הכימאים ללבוש מסכות גז בעת הטיפול בו.
מתוך 19.6 מיליון דולר שהוצאו על מחקר ופיתוח של תהליך ההפרדה האלקטרומגנטית, 18 מיליון דולר (92 אחוז) הוצאו במעבדת הקרינה של לורנס בברקלי, ובאמצע 1944 עבדו בה כ-1,200 איש. עבודות מחקר נוספות נערכו באוניברסיטת בראון, באוניברסיטת ג'ונס הופקינס ובאוניברסיטת פרדו, וכן על ידי התאגיד טנסי איסטמן. במהלך 1943 עבר הדגש ממחקר לפיתוח, להנדסה ולהכשרת עובדים שיפעילו את מתקני הייצור באוק רידג' שבטנסי.
תכנון.