כור הגרפיט X-10 היה הכור הגרעיני השני שנבנה בעולם, אחרי כור "שיקגו פייל-1" שבנה אנריקו פרמי במעבדה המטלורגית של אוניברסיטת שיקגו, והיה הכור הראשון שתוכנן ונבנה להפעלה רציפה. הוא כלל גוש גדול העשוי מקוביות גרפיט גרעיניות, שאורכו 7.3 מטר מכל צד (אורך, רוחב ועומק), משקלו היה כ-1,400 טון, והוקף בבטון בצפיפות גבוהה בעובי של 2.1 מטר ששימש כמגן נגד קרינה רדיואקטיבית. היו בו 36 שורות אופקיות עם 35 חורים בכל שורה. כל חור היה פתח של תעלת מתכת שלתוכה ניתן להכניס את גלילי דלק האורניום. מערכת קירור האוויר פעלה באמצעות שלושה מאווררים חשמליים גדולים.
בניית הכור החלה ב-27 באפריל 1943 רק לאחר שדופונט סיימה את התכנון, והיו בה עיכובים שנבעו מהיתקלות בקרקע חימר רכה בזמן חפירת היסודות, מקשיים באספקת חומרי בניין בשל המלחמה, ממחסור בפועלים, מתחלופה גבוהה, מהיעדרויות, ומקשיי הגעה בבקרים בשל בעיות מגורים והסעה. העיירה אוק רידג' הייתה עדיין בבנייה, וצריפים הוקמו לעובדי הבניין. בנוסף, ירדו באותו קיץ גשמים כבדים באופן יוצא דופן (ביולי 1943 ירדו 240 מ"מ, יותר מפי שניים מהממוצע, 110 מ"מ).
640 טונות של קוביות גרפיט נרכשו מחברת נשונל קרבון, וצוותי הבנייה החלו לערום אותם למבנה הכור בספטמבר 1943. מטילי אורניום יצוקים הגיעו מספקים שונים, רוקעו לגושי אורניום גליליים, וצופו באלומיניום בחברת אלקואה החל מ-14 ביוני 1943. ג'נרל אלקטריק והמעבדה המטלורגית של שיקגו פיתחו טכניקת ריתוך חדשה, ששולבה בפס הייצור של אלקואה באוקטובר 1943. בפיקוח קומפטון, מרטין ויטקר ואנריקו פרמי, נכנס הכור לשלב קריטי ב-4 בנובמבר, עם כ-27 טון אורניום. שבוע לאחר מכן הוגדל העומס ל-33 טון אורניום, והייצור גדל ל-500 קילוואט. עד סוף החודש יוצרו 500 מ"ג הראשונים של פלוטוניום. עד יולי 1944 עלה כושר הייצור של הכור לכ-4,000 קילוואט.
בניית מפעל ההפרדה החלה לפני שנבחר סופית התהליך הכימי להפרדת הפלוטוניום מהאורניום. במאי 1943 החליטו מנהלי דופונט להשתמש בתהליך פוספט-ביסמוט. המפעל כלל שישה תאים, המופרדים זה מזה ומחדר הבקרה על ידי קירות בטון עבים. מכשירי התהליך הופעלו מרחוק מחדר הבקרה. עבודות הבנייה הושלמו ב-26 בנובמבר 1943, אך המפעל לא היה יכול להתחיל לפעול עד שהחל ייצורם של גלילי האורניום ששימשו כדלק גרעיני. המנה הראשונה התקבלה ב-20 בדצמבר, ואפשרה את ייצור הפלוטוניום בתחילת 1944. בחודש פברואר הקרין הכור טון אחד של אורניום כל שלושה ימים. במהלך חמשת החודשים הבאים שופרה יעילות תהליך ההפרדה, ואחוז הפלוטוניום שהופרד ויוצר עלה מ-40 ל-90 אחוז. כור X-10 פעל כמפעל לייצור פלוטוניום עד ינואר 1945, כשאז עבר ייצור הפלוטוניום להנפורד, ו-X-10 עבר לפעילות מחקרית.
בספטמבר 1942 ביקש קומפטון ממרטין ויטקר לתכנן את מבנה צוות ההפעלה של כור X-10. ויטאקר מונה למנהל מעבדות קלינטון, וצוות התפעול הקבוע הראשון הגיע ל-X-10 מהמעבדה המטלורגית של שיקגו באפריל 1944, כשאז החלה דופונט להעביר את הטכנאים שלה לאתר. הם תוגברו על ידי 100 טכנאים במדים מיחידה צבאית טכנולוגית מיוחדת. במרץ 1944 עבדו ב-X-10 1,500 אנשים בסך הכול.
לאחר המלחמה, באפריל 1946, נוספו למתחם X-10 בניין רדיואיזוטופים, מפעל אדים ומבנים אחרים, כדי לתמוך בתוכניות החינוך והמחקר של המעבדה בזמן שלום. כל העבודות הסתיימו עד דצמבר 1946, והוסיפו כמיליון דולר לעלות הבנייה של X-10. ההשקעה הכוללת במתחם הסתכמה בכ-13 מיליון דולר בעלויות בנייה וציוד, ועוד כ-22.25 מיליון דולר של הוצאות תפעול.
מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית Y-12.
הפרדה אלקטרומגנטית של איזוטופים פותחה על ידי ארנסט לורנס במעבדת הקרינה שלו באוניברסיטת קליפורניה. בשיטה זו נעשה שימוש במכשיר שנקרא קלוטרון, המורכב מספקטרומטר מסה מעבדתי סטנדרטי ומהמגנט רב העוצמה של הציקלוטרון. השם נגזר מהמילים "קליפורניה", "אוניברסיטה" ו"ציקלוטרון". בתהליך ההפרדה האלקטרומגנטית, שדה מגנטי מסיט חלקיקי אורניום טעונים בהתאם למסתם. התהליך לא היה אלגנטי מבחינה מדעית ואף לא יעיל מבחינה תעשייתית. בהשוואה לתהליך ההפרדה בדיפוזיה גזית או לכור גרעיני, מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית צרך חומרים נדירים ויקרים יותר, דרש להפעלתו כוח אדם גדול יותר, ועלות בנייתו הייתה גבוהה יותר. התהליך אושר להקמה, מכיוון שהוא התבסס על טכנולוגיה מוכחת ולכן הסיכון שלא ימלא את ייעודו ולא יבצע הפרדה היה קטן. יתרון נוסף היה שבנייתו יכולה להתבצע בשלבים, ולכן הוא יכול להגיע לתפוקה תעשייתית במהירות יחסית.
האחריות לתכנון ולבניית מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית Y-12, הוטלה על ידי ועדת S-1 של משרד המחקר על חברת סטון אנד ובסטר ביוני 1942. התוכנית הייתה לבנות חמש יחידות עיבוד שלב ראשון, שכונו "מסלול מרוצים אלפא", ושתי יחידות לעיבוד סופי, שכונו "מסלול מרוצים בטא". בספטמבר 1942 אישר מנהל הפרויקט לסלי גרובס לבנות ארבעה מסלולי מרוצים נוספים, שכונו "אלפא 2". בניית המפעלים החלה בפברואר 1943.
כשהמפעל החל לעבוד בהפעלת ניסיון בנובמבר 1943, זזו ממקומם מכלי הוואקום בני ה-14 טון בגלל כוח המגנטים, והיה צורך להדקם חזק יותר ובטוח יותר. בעיה חמורה יותר התגלתה כשסלילי המגנטים החלו לקצר. בדצמבר הורה גרובס לפתוח מגנט לבדיקה, ונמצאו בו נקודות חלודה. לפיכך הורה גרובס לפתוח את המסלולים, המגנטים שבהם שנשלחו בחזרה למפעל לניקוי, ובמקביל הוקם במקום מפעל לניקוי הצינורות והאביזרים. מסלול אלפא השני החל לפעול בינואר 1944; מסלול בטא הראשון ומסלולי אלפא הראשון והשלישי החלו לפעול במרץ, ומסלול אלפא הרביעי באפריל. מסלולי אלפא 2 הושלמו בין יולי לאוקטובר 1944.
התאגיד הכימי 'טנסי איסטמן' נשכר לנהל ולהפעיל את Y-12. הקלוטרון הופעל תחילה בידי מדענים מברקלי, כדי שיפתרו בעיות במקום וישיגו בכך שיעור הפעלה סביר. לאחר מכן הועברה ההפעלה לעובדות של טנסי איסטמן עם השכלה תיכונית שעברו הכשרה. ניקולס השווה את נתוני התפוקה, ואמר ללורנס שהמפעילות הצעירות "הכפריות הנבערות" הצליחו יותר מהדוקטורים המכובדים. הם הסכימו לקיים תחרות ייצור, ולורנס הפסיד, דבר שנתן דחיפה מורלית לעובדי ומנהלי טנסי איסטמן. הנערות "הוכשרו כחיילים לא לשאול שאלות", ואילו "המדענים לא יכלו להימנע מחקירה ממושכת של כל מה שנראה בעיניהם כתקלה, אפילו תנודות קלות של חוגות".
בתחילה העשיר Y-12 את תכולת האורניום-235, ששיעורו הטבעי הוא כ-0.7% (בקיע) בתוך 99.3% של אורניום-238 (שאינו בקיע), לשיעור של 13–15 אחוז. במרץ 1944 העביר המפעל כמה מאות גרמים ראשונים של אורניום בשיעור העשרה כזה למעבדת לוס אלמוס. בעיה מרכזית הייתה אובדן של חלקים מחומר המקור ומהמוצר הסופי. רק חלק אחד מתוך 5,825 חלקים של חומר המקור הפך לאורניום מוגמר; חלק ניכר מהשאר התפזר על ציוד התהליך. עד ינואר 1945 נעשו מאמצי התאוששות גדולים, ותכולת הייצור של אורניום-235 עלתה. בפברואר החלו מסלולי אלפא לקבל חומר מקור מעט מועשר (1.4 אחוז אורניום-235) ממפעל ההעשרה החדש S-50 שעבד בשיטת הדיפוזיה התרמית, וחודש אחר-כך קיבל חומר מועשר ל-5 אחוז ממפעל הדיפוזיה הגזית K-25. באוגוסט ייצר K-25 אורניום מועשר מספיק, שכבר הוזן ישירות למסלולי בטא של מפעל Y-12.
עם תום המלחמה הוחלט לעצור את עבודתם של מסלולי אלפא החל מ-4 בספטמבר 1945, ופעילותם הופסקה כליל ב-22 בספטמבר. שני מסלולי הבטא האחרונים נכנסו לפעילות מלאה בנובמבר ובדצמבר 1945, ועיבדו אורניום שהועשר ב-K-25 ובמפעל הדיפוזיה הגזית החדש K-27. עד מאי 1946 העלו מחקרים כי מפעלי הדיפוזיה הגזית יוכלו להעשיר את האורניום באופן מלא בעצמם, בלי צורך בהעשרה מקדימה במפעלי העשרה אחרים, ומבלי ליצור בטעות מסה קריטית מסוכנת. לאחר שניסוי הוכיח שכך אומנם המצב, הורה גרובס בדצמבר 1946 על סגירת כל מסלולי הבטא שנותרו במפעל Y-12, פרט למסלול אחד. Y-12 נשאר בשימוש לטיפול בנשק גרעיני ולאחסון חומרים. מתקן ייצור של פצצת מימן הותקן בחופזה בשנת 1952, ושימש לניסויים בעוצמות גבוהות של אנרגיה גרעינית שבוצעו ב"מבצע טירה" באטול ביקיני ב-1954.
מפעל הדיפוזיה הגזית K-25.
השיטה המבטיחה ביותר להפרדת איזוטופים, אך גם המאתגרת ביותר, הייתה דיפוזיה גזית. חוק גראהם קובע כי קצב האפוזיה של גז הוא ביחס הפוך לשורש הריבועי של המסה המולקולרית שלו, ולכן במכל בעל ממברנה מחוררת חדירה למחצה ותערובת של שני גזים, המולקולות הקלות יותר יעברו דרך הממברנה במהירות גדולה יותר מהמולקולות הכבדות. הגז היוצא מהמכל יהיה עשיר מעט יותר במולקולות הקלות, ואילו הגז שנותר במכל המוצא יתרוקן מעט. המטרה הייתה ליצור מערך משורשר של משאבות וממברנות כאלה, כך שבכל שלב תיווצר תערובת מועשרת יותר, שתשמש כקלט לשלב הבא, שבו תיווצר שוב תערובת מועשרת עוד יותר, וכך הלאה. מחקר על התהליך נערך באוניברסיטת קולומביה שבניו יורק על ידי קבוצה פיזיקאים וכימאים שכללה את הרולד יורי, קארל כהן וג'ון דאנינג.
בנובמבר 1942 אישרה הוועדה למדיניות צבאית את הקמתו של מפעל בן 600 שלבים להעשרת אורניום בטכנולוגיה של דיפוזיה גזית, שכונה K-25. ב-14 בדצמבר נענתה חברת הבנייה מ. קלוג להצעה להקים את המפעל. לאחר משא ומתן נחתם חוזה קוסט פלוס, סכום קבוע, שהסתכם לבסוף ב-2.5 מיליון דולר. בשל גודלו של פרויקט הבנייה, הוקמה עבורו חברה עסקית נפרדת בשם קלקס, ובראשה עמד אחד מסגני הנשיא של חברת קלוג.