מימוש התהליך נתקל בקשיים טכניים כבירים. היה צריך להשתמש באורניום שש פלואורי, שהוא גז מאוד קורוזיבי, מכיוון שלא נמצא לו תחליף, וכתוצאה מכך היה צורך להדק את המנועים והמשאבות בוואקום ולהקיפם בגז אינרטי. אך הבעיה הגדולה ביותר הייתה תכנון המחיצה, שהייתה צריכה להיות חזקה, מחוררת ועמידה בפני הקורוזיה החזקה של האורניום השש-פלואורי. נראה שהבחירה הטובה ביותר של החומר שממנו תיוצר המחיצה היה ניקל. אדוארד אדלר ואדוארד נוריס יצרו מחיצת רשת מצופה בניקל, ובאוניברסיטת קולומביה הוקם מפעל ניסוי בן שישה שלבים כדי לבחון את התהליך, אך אב הטיפוס של נוריס ואדלר התברר כשברירי ועדין מדי. מחיצות מתחרות פותחו מאבקת ניקל על ידי קלקס, מעבדות בל, ותאגיד הבקליט. בינואר 1944 הכריע גרובס בעד המחיצה של קלקס, והיא נכנסה לייצור.
קלקס תכננה את מפעל K-25 כמבנה ענק בן ארבע קומות בצורת U, שאורכו 800 מטר (חצי מייל), ומכיל 54 בניינים צמודים. אלה חולקו לתשעה קטעים, ובכל קטע שישה תאים. ניתן היה להפעיל כל תא באופן עצמאי בנפרד, או כחלק מרצף משורשר בתוך הקטע. באופן דומה ניתן היה להפעיל את כל קטע בנפרד, או כחלק מרצף משורשר של קטעים. סימון ומדידות של השטח בן 500 האקרים (2 קמ"ר) החלו במאי 1943. העבודות בבניין הראשי החלו באוקטובר, ומפעל פיילוט בן שישה בניינים היה מוכן להפעלה ב-17 באפריל 1944. בשנת 1945 ביטל גרובס את בניית השלבים האחרונים של המפעל, והורה לקלקס לתכנן ולבנות במקומם יחידה בת 540 שלבים, שנודעה בשם מפעל K-27. קלקס העבירה את היחידה האחרונה לקבלן ההפעלה ב-11 בספטמבר 1945. תחנת כוח פחמית שייצרה 235 מגה-וואט נכללה בקומפלקס לצורכי אמינות וכדי לספק תדירות משתנה, אם כי מרבית הכוח החשמלי הגיע מרשות עמק טנסי. עלות הבנייה הכוללת, כולל בניית מפעל K-27 שהושלם לאחר המלחמה, הסתכמה ב-480 מיליון דולר (שהם כ-5.6 מיליארד דולר נכון ל-2020).
מפעל הייצור החל לפעול בפברואר 1945, וכאשר הקטעים החלו לפעול זה אחר זה, וברצף משורשר (קסקדה), עלתה רמת ההעשרה של האורניום ואיכותו. באפריל 1945 הגיע K-25 להעשרה של 1.1 אחוזים. הוא גם החל להשתמש בתפוקת מפעל הדיפוזיה התרמית S-50 כחומר הזנה (קלט להעשרה). חלק מהאורניום שהופק חודש אחר-כך הגיע להעשרה של כמעט 7 אחוז. באוגוסט הופעל השלב האחרון מבין 2,892 השלבים. K-25 ו-K-27 השיגו את מלוא הפוטנציאל שלהם בתחילת התקופה שלאחר המלחמה, כשאז הם האפילו על מפעלי הייצור האחרים והפכו לאב-טיפוס לדור חדש של מפעלי העשרה. האורניום הועשר בתהליך הדיפוזיה הגזית במפעל K-25 עד 1985. לאחר מכן הוצאו המפעלים מכלל שימוש ושטחם טוהר מזיהומים רדיואקטיביים.
מפעל הדיפוזיה התרמית S-50.
תהליך הדיפוזיה התרמית התבסס על התאוריה של סידני צ'פמן ודייוויד אנסקוג , שהסבירה שכאשר תערובת של גזים עוברת דרך מפל טמפרטורה, הגז הכבד יותר נוטה להתרכז בקצה הקר והגז הקל יותר בקצה החם. מכיוון שגזים חמים נוטים לעלות וגזים קרים נוטים לרדת, הדבר יכול לשמש כאמצעי להפרדת איזוטופים. תהליך זה הודגם לראשונה על ידי קלוסיוס ודיקל בגרמניה בשנת 1938. השיטה פותח על ידי מדעני חיל הים האמריקני, אך לא הייתה אחת מטכנולוגיות ההעשרה שנבחרו בתחילה לשימוש בפרויקט מנהטן. הסיבה לכך הייתה בעיקר כתוצאה מספקות לגבי היתכנותו הטכנית של התהליך, אך גם היריבות בין הצבא היבשה לחיל הים מילאה תפקיד.
מעבדת המחקר של חיל הים המשיכה במחקר בניהולו של פיליפ אייבלסון, אך הקשר בינה לבין פרויקט מנהטן היה זניח עד אפריל 1944. אז הביא ויליאם פרסונס, קצין חיל הים שהיה אחראי על פיתוח תחמושת בלוס אלמוס, לרוברט אופנהיימר ראש המעבדה, חדשות מעודדות על התקדמות הניסויים של חיל הים בשיטת הדיפוזיה התרמית. אופנהיימר כתב לגרובס והציע להשתמש בתפוקתו של מפעל הדיפוזיה התרמית כדי להזין בה את מפעל Y-12. גרובס הקים ועדה שכללה את וורן לואיס, אגר מרפרי וריצ'רד טולמן, כדי לבדוק את הרעיון, והם העריכו כי מפעל דיפוזיה תרמית שיוקם בעלות של 3.5 מיליון דולר יוכל להעשיר 50 ק"ג אורניום בשבוע לכמעט 0.9 אחוז אורניום-235. גרובס אישר את הקמת המפעל ב-24 ביוני 1944.
גרובס חתם הסכם עם חברת פרגוסון מקליבלנד להקמת מפעל הדיפוזיה התרמית, שנקרא מפעל S-50. יועציו של גרובס מחברת סטנדרט-אויל העריכו כי הבנייה תארך חצי שנה, אך גרובס העניק לפרגוסון ארבעה חודשים בלבד. על פי התוכניות נבנו 2,142 עמודי דיפוזיה בגובה של 15 מטר כל אחד, כשהם מסודרים ב-21 מתקני ייצור (102 עמודים בכל מתקן). בתוך כל עמוד היו שלושה צינורות קונצנטריים. קיטור, שסופק מתחנת הכוח הסמוכה, זרם כלפי מטה בלחץ של 6.9 בר ובטמפרטורה של 285 מעלות צלזיוס, דרך הצינור הפנימי ביותר בגודל 32 מ"מ, שנבנה מניקל. מים בטמפרטורה של 68 מעלות צלזיוס, זרמו כלפי מעלה דרך צינור הברזל החיצוני ביותר. גז אורניום שש-פלואורי זרם בצינור הנחושת האמצעי. הפרדת האיזוטופים התרחשה בין צינורות הניקל והנחושת.
הבנייה החלה ב-9 ביולי 1944, ומפעל S-50 החל לפעול חלקית בספטמבר. באוקטובר ייצר המפעל רק 4.8 ק"ג של אורניום-235 ברמת העשרה של 0.852 אחוז. הדלפות הגבילו את הייצור ואף אילצו את כיבוי המפעל במהלך מספר חודשי העבודה הראשונים, אך ביוני 1945 הוא כבר ייצר 5,770 ק"ג ברמת העשרה קרובה ל-0.9 אחוז אורניום-235. במרץ 1945 פעלו כל 21 מתקני הייצור. בתחילה הוזנה תפוקת S-50 למפעל Y-12, אך החל ממרץ 1945 התנהלו כל שלושת תהליכי ההעשרה בסדרות. S-50 היה השלב הראשון, והעשיר מ-0.71 אחוז ל-0.89 אחוז. חומר זה הוזן לתהליך הדיפוזיה הגזית במפעל K-25, שהעשיר את האורניום לכ-23 אחוז. זה הוזן ל-Y-12.
האופטימיזציה של סדר השלבים נקבעה בתחילת ספטמבר 1944. ניקולס מינה ועדת בקרת ייצור בראשות מייג'ור פיט פטרסון, שחישבה שילובים שונים באמצעות מכונות חישוב מכניות, והחליטה שכדאי להזין את תפוקת S-50 לתוך K-25 (דיפוזיה גזית), ולא כפי שנקבע תחילה ל-Y-12 (הפרדה אלקטרומגנטית). סדרת העשרות זו החלה לפעול באפריל 1945. תרשימי הוועדה גם הראו שיש לזנוח את השלבים הנוספים המוצעים עבור K-25, וגם את המלצתו של לורנס להוסיף עוד מסלולי אלפא למפעל Y-12. גרובס גם קיבל את ההצעה להוסיף יחידות נוספות למפעל הדיפוזיה הגזית K-27, ומסלול בטא נוסף ל-Y-12. ההערכה הייתה שתוספות אלה יעלו 100 מיליון דולר עם השלמתן בפברואר 1946.
זמן קצר לאחר כניעתה של יפן באוגוסט 1945, המליץ פיטרסון לסגור את S-50. מחוז מנהטן הורה הסגירה ב-4 בספטמבר. האורניום השש-פלואורי האחרון נשלח ל-K-25, והמפעל הפסיק לפעול ב-9 בספטמבר. S-50 נהרס לחלוטין ב-1946.
כוח חשמלי.
מחוז מנהטן בנה תחנת כוח פחמית במתחם מפעל K-25, עם שמונה גנרטורים של 25,000 קילוואט כל אחד, וזאת למרות מחאות רשות עמק טנסי שהדבר מיותר. הקיטור שנוצר מתחנת הכוח שימש גם בתהליך ההפרדה והייצור של מפעל הדיפוזיה התרמית S-50. קווי חשמל נוספים הונחו מהמתקנים ההידרואלקטריים של רשות עמק טנסי בסכר נוריס ובסכר ווטס בר, ומפעלי הייצור הגרעיניים קיבלו תחנות משנה חשמליות משלהם ב-K-25 וב-K-27. עד 1945 היו מקורות הכוח החשמלי מסוגלים לספק לאוק רידג' עד 310,000 קילוואט, מתוכם 200,000 קילוואט יועדו ל-Y-12, 80,000 קילוואט ל-K-25, 23,000 קילוואט לעיירת המגורים אוק רידג', 6,000 קילוואט ל-S-50, ו-1,000 קילוואט לכור X-10. תחנת הכוח הייתה יכולה לספק עד חמישה תדרים שונים, ולא היה צורך בתדר משתנה. ביקוש שיא התרחש באוגוסט 1945, כשכל המתקנים פעלו יחד. עומס השיא היה 298,800 קילוואט ב-1 בספטמבר.
העיירה אוק רידג'.
התכנון של בניית מעין "כפר ממשלתי" למגורי העובדים של אתר הייצור החל ביוני 1942. בגלל ריחוקו של האתר, הייתה הרגשה שיהיה לעובדים נוח יותר ובטוח יותר לגור בקרבתו. המדרונות המתונים של רכס בלאק אוק, שממנו קיבלה העיירה את שמה, נבחרו למקום העיירה. בריגדיר גנרל לושיוס קליי, סגן ראש מטה שירותי האספקה הצבאיים, הזכיר למרשל את מגבלת זמן המלחמה על הוצאה למגורים במימון צבאי בסך 7,500 דולר לנפש. גרובס היה בעד בתים "חסכוניים" קטנים ופשוטים, אך מרשל, שנטה להתעלם ממגבלת זמן המלחמה על מגורים, טען שעובדים מהסוג הדרוש למפעלים לא יסכים לרמת מגורים נמוכה (ודופונט הסכימו עימו). לבסוף נבנו באוק רידג' בתים ברמת בנייה בסיסית אך בסטנדרט גבוה יותר מאשר בלוס אלמוס.
התוכנית הראשונה שהוגשה על ידי סטון אנד ובסטר ב-26 באוקטובר 1942, הייתה לקהילת מגורים של 13,000 נפש. כאשר סטון אנד ובסטר החלה לעבוד על מתקני הייצור, התברר כי בניית העיירה בה בעת תהיה מעבר ליכולתה. על כן העסיק הצבא את חברת האדריכלות וההנדסה 'סקידמור, אווינגס ומריל' לתכנון ובניית העיירה, שהעסיקה מספר קבלני משנה. שלב בנייה ראשון זה נודע בשם 'העיר המזרחית'. הוא כלל כ-3,000 בתים משפחתיים, מרכז מנהלי, שלושה מרכזי קניות, שלושה בתי ספר יסודיים ל-500 ילדים כל אחד, בית ספר תיכון ל-500 תלמידים, מבני בילוי, מעונות, קפיטריות, בניין לשירותים רפואיים ובית חולים בן 50 מיטות. הדגש היה על מהירות הבנייה בתנאים של מחסור בחומרים בשל מצב המלחמה. במידת האפשר השתמשו בלוחות סיבית וגבס במקום בעץ, והיסודות היו עשויים מבלוקים של בטון ולא מבטון יצוק. העבודות הושלמו בתחילת 1944.
בנוסף לעיר המזרחית, נבנתה סמוך לשער אלזה קהילה עצמאית שנקראה הכפר המזרחי, עם 50 יחידות משפחתיות. הבנייה נועדה לקהילה מופרדת של אפרו-אמריקאים, אך כשהבנייה הושלמה נדרשו הבתים ללבנים. שחורים שוכנו ב"בקתות" של חדר אחד באזורים נפרדים, ולעיתים חוברו שתי בקתות לקבלת "בקתה משפחתית".