תהליך הדיפוזיה התרמית התבסס על התאוריה של סידני צ'פמן ודייוויד אנסקוג , שהסבירה שכאשר גז מעורב עובר דרך מפל טמפרטורה, הגז הכבד יותר נוטה להתרכז בקצה הקר והגז הקל בקצה החם. כיוון שגזים חמים נוטים לעלות וגזים קרים נוטים לרדת, יכולה תופעה פיזיקלית זו לשמש כאמצעי להפרדת איזוטופים. תהליך זה הודגם לראשונה על ידי קלאוס קלוסיוס וגרהרד דיקל בגרמניה ב-1938. התהליך פותח על ידי מדענים של חיל הים האמריקני, אך תחילה לא נכלל בטכנולוגיות ההעשרה הראשונות שנבחרו לבדיקה ולשימוש בפרויקט מנהטן. הסיבה הייתה בעיקר הספקות לגבי ההיתכנות הטכנית של התהליך, אך השפיעה גם היריבות בין צבא היבשה לבין חיל הים.
מעבדת המחקר של הצי המשיכה את המחקר על התהליך בהנחיית פיליפ אייבלסון, אך כמעט ולא היה קשר בין עבודתה לפרויקט מנהטן עד אפריל 1944. בחודש זה קפטן ויליאם פרסונס , קצין הצי הממונה על פיתוח תחמושת בלוס אלמוס, הביא לאופנהיימר חדשות מעודדות על התקדמות הניסויים שביצעו מדעני הצי על תהליך הדיפוזיה התרמית. אופנהיימר כתב לגרובס, והציע את האפשרות שפלט תהליך הדיפוזיה התרמית יכול להיות מוזן לתוך מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית, Y-12, ובכך יקצר וישפר את תהליך ההעשרה. גרובס הקים ועדה שכללה את וורן לואיס , אגר מרפי וריצ'רד טולמן כדי לבדוק את הרעיון, והיא העריכה שמפעל דיפוזיה תרמית בעלות בנייה של 3.5 מיליון דולר יכול להעשיר 50 ק"ג של אורניום בשבוע לשיעור של קרוב ל-0.9% אורניום-235. גרובס אישר את בניית המפעל ב-24 ביוני 1944.
גרובס התקשר עם חברת פרגוסון מקליבלנד כדי לבנות את מפעל הדיפוזיה התרמית, שנקרא S-50. יועציו של גרובס מחברת סטנדרד אויל, תומפסון וקארל כהן, העריכו שיידרשו לבנייה שישה חודשים, אך גרובס נתן לפרגוסון רק ארבעה חודשים. על פי התוכניות נבנו 2,142 עמודי דיפוזיה בגובה של 15 מטר כל אחד, כשהם מסודרים ב-21 מתקנים (102 עמודים בכל מתקן). בתוך כל עמוד היו שלושה צינורות קונצנטריים. קיטור, שהגיע מתחנת הכוח הסמוכה, התקבל בלחץ של 100 פאונד לאינץ' רבוע (6.9 בר) ובטמפרטורה של 285° צלזיוס, זרם כלפי מטה דרך הצינור הפנימי שנבנה מניקל (בעובי 32 מ"מ), ומים בטמפרטורה של 68° צלזיוס זרמו כלפי מעלה דרך הצינור החיצוני שנבנה מברזל. האורניום שש פלואורי, שעליו התבצעה ההפרדה, זרם בצינור האמצעי שנבנה מנחושת, והפרדת האיזוטופים התרחשה באורניום בתווך זעיר בין צינור הניקל וצינור הנחושת.
בניית המפעל החלה ב-9 ביולי 1944, והוא החל לפעול חלקית כבר בספטמבר. ממדיו הסופיים של מפעל S-50 כולו, שהכיל את כל עמודי הדיפוזיה ואת חדרי הבקרה והשירות, היו בשטח של 160 × 25 מטר, גובהו היה 23 מטר, והוא נבנה כמבנה שחור ענק סמוך לתחנת הכוח באוק רידג'. באוקטובר ייצר המפעל רק 4.8 ק"ג ברמת העשרה של 0.852% אורניום-235. בנוסף, תקלות ודליפות הגבילו את הייצור ואילצו להפסיק את פעולת המפעל מדי פעם במהלך החודשים הבאים. במרץ 1945 כל 21 מתקני הייצור פעלו כמצופה. בתחילה הוזנה תפוקת ה-S-50 למפעל Y-12 שביצע הפרדה אלקטרומגנטית, אך החל ממרץ 1945 הוחלט שכל שלושת תהליכי ההעשרה יבוצעו בסדרה, בזה אחר זה. S-50 היה השלב הראשון, והעשיר את האורניום-235 מ-0.71% ל-0.89%. חומר זה הוזן לתהליך הדיפוזיה הגזית במפעל K-25, שהעשיר אותו לרמה של כ-23%, וחומר זה הוזן לשלב השלישי והסופי — תהליך ההפרדה האלקטרומגנטית במפעל Y-12, שהעלה אותו לרמת העשרה גבוהה של 89%, המספיקה לפצצה גרעינית.
כמות הייצור הכוללת של אורניום-235.
כ-50 ק"ג אורניום שהועשר ל-89% אורניום-235, הועברו ביולי 1945 ללוס אלמוס. כל 50 הק"ג, יחד עם מעט אורניום שהועשר לרמה של כ-50%, שימשו בפצצת "ילד קטן" שהוטלה על הירושימה ב-6 באוגוסט 1945.
הטיפול בפלוטוניום - עד ניסוי טריניטי.
קו הפיתוח השני של פרויקט מנהטן השתמש ביסוד הבקיע פלוטוניום. אף שכמויות קטנות של פלוטוניום קיימות בטבע, הדרך הטובה ביותר לקבל כמויות גדולות שלו נמצאת בכור גרעיני, שבו אורניום טבעי מופגז על ידי נייטרונים. האורניום-238 הופך לאורניום-239, המתפרק במהירות, תחילה לנפטוניום-239 ואחר-כך לפלוטוניום-239. כך חומר המוצא הטבעי, האורניום, עבר טרנספורמציה והומר ליסוד כימי חדש, הפלוטוניום. רק כמות קטנה של אורניום-238 תומר ותתפרק, ולכן הפלוטוניום חייב להיות מופרד כימית מן האורניום שנותר, וכן מכל הזיהומים ההתחלתיים שהיו באורניום הטבעי, וממוצרי לוואי בלתי רצויים שנוצרו בביקוע.
כור הגרפיט X-10 באוק רידג'.
במרץ 1943 החלה חברת דופונט בבניית מפעל פלוטוניום על שטח של 450 דונם באוק רידג' שבטנסי, שיועד להיות מתקן ניסוי והרצה לקראת בניית מפעל ייצור גדול בהנפורד שבמדינת וושינגטון. המפעל כלל כור גרפיט X-10 שקורר באוויר, מתקן הפרדה כימית, ומתקני תמיכה. בשל ההחלטה שהתקבלה בהמשך להקים בהנפורד כורים מקוררים במים, רק מפעל ההפרדה הכימית פעל כמתקן ניסוי והרצה אמיתי. כור הגרפיט X-10 היה מורכב מגוש גרפיט ענק של 7.3 × 7.3 × 7.3 מטר ובמשקל של כ-1,400 טון, שלצורך הגנה בפני קרינה הוקף בבטון בצפיפות גבוהה ובעובי של 2.1 מטר.
הקושי הגדול ביותר שבו נתקלו היה עם גושי האורניום הקטנים שיוצרו והועברו משני מפעלים כימיים. תחילה נראה היה שצריך לצפות את הגושים באלומיניום כדי למנוע קורוזיה ובריחת חלקיקי ביקוע לתוך מערכת הקירור. אלא שבסופו של דבר פיתחה מעבדת המתכות טכניקת ריתוך משופרת שפתרה את הבעיה, ושולבה בתהליך הייצור באוקטובר 1943.
פעילות כור הגרפיט X-10 נצפתה מקרוב על ידי פרמי וקומפטון, והכור נכנס לשלב קריטי ב-4 בנובמבר 1943 עם כמות של כ-27 טון אורניום כחומר מוצא. שבוע לאחר מכן עלתה הכמות ל-33 טון, וייצור החשמל היה 500 קילוואט. עד סוף נובמבר נוצרו לראשונה 500 מ"ג פלוטוניום. השינויים במשך הזמן העלו ביולי 1944 את הכוח החשמלי המופק ל-4,000 קילוואט. X-10 פעל כמפעל לייצור פלוטוניום באוק רידג' עד ינואר 1945, כשאז עבר לפעילות מחקרית בלבד.
הכורים בהנפורד.
אף שבכור באוק רידג' נבחר קירור באוויר, בעיקר כדי לאפשר בנייה מהירה, היה ברור כי שיטת קירור זו לא תהיה מעשית עבור כורי ייצור גדולים הרבה יותר. המעבדה המטלורגית ומפעל דופונט תכננו תחילה להשתמש בהליום לקירור, אך קבעו לבסוף שקירור מים יהיה פשוט יותר, זול יותר ומהיר יותר לבנייה. תכנון הכור הסתיים רק ב-4 באוקטובר 1943; בינתיים התמקד פרנקלין מתיאס , המהנדס הראשי באתר, בשיפור אתר הנפורד על ידי הקמת מקומות מגורים, שיפור כבישים, בניית קו רכבת ושדרוג קווי החשמל, המים והטלפון.
כמו באוק רידג', הקושי הגדול ביותר היה בציפוי גושי האורניום, אשר החל בהנפורד במרץ 1944. הם עברו תהליך כבישה כדי להסיר מהם לכלוך וזיהומים, נטבלו בברונזה מותכת, בבדיל, בסגסוגת אלומיניום, נלחצו באמצעות מכבשים הידראוליים, ולאחר מכן כוסו באמצעות ריתוך בקשת חשמלית בסביבה של גז ארגון. לבסוף, הם נבדקו באופן קפדני כדי לזהות חורים או ריתוכים פגומים. אלא שרוב הגושים המצופים כשלו תחילה בבדיקות, ורק קומץ עמד בהן בכל יום. אך לאחר התקדמות ושיפור תהליכים גדל הייצור, וביוני 1944 נראה היה שיש מספיק חומר תקין כדי להפעיל את כור B על פי לוח הזמנים, באוגוסט 1944.
העבודה החלה בכור B, הראשון מבין שישה כורים מתוכננים של 250 מגה-ואט, ב-10 באוקטובר 1943. הכורים נקראו באותיות מ-A עד F, כשאתרים D ,B ו-F נבחרו להיבנות תחילה, מכיוון שהמרחק ביניהם היה גדול מספיק. כורים אלו יהיו היחידים שנבנו במהלך פרויקט מנהטן. כ-350 טון פלדה, 13,300 מטרים מעוקבים של בטון, 50,000 בלוקים מבטון ו-71,000 לבנים מבטון שימשו לבניית מבנה הכור, שהגיע לגובה של 37 מטר.
בניית הכור עצמו החלה בפברואר 1944. קומפטון, מתיאס, קרופורד גרינוואט מדופונט, ליאונה וודס ופרמי, הכניסו את גוש האורניום הראשון, והכור הופעל ב-13 בספטמבר 1944. במהלך הימים הבאים הוטענו 838 צינורות, והכור הגיע לשלב הקריטי. זמן קצר לאחר חצות ב-27 בספטמבר, החלו המפעילים למשוך את מוטות הבקרה, והייצור התחיל. תחילה הכול היה נראה תקין, אך בסביבות 03:00 החלה רמת הכוח לרדת, ועד השעה 06:30 נכבה הכור לחלוטין. מי הקירור נחקרו כדי לראות אם היו דליפות או זיהומים. למחרת הופעל הכור מחדש, אך נכבה שוב.
פרמי יצר קשר עם טשין-שיונג וו, שזיהתה את הגורם לבעיה כזיהום של נייטרונים מהגז קסנון-135, שיש לו זמן מחצית חיים של 9.2 שעות. פרמי, וודס, דונלד יוז וג'ון וילר חישבו את חתך הפעולה הגרעיני של קסנון-135, והתברר שהוא גדול פי 30,000 מזה של אורניום. מניעת זיהום זה אכן פתרה את הבעיה. בנוסף, מהנדס דופונט ג'ורג' גרייבס חרג מהתכנון המקורי של המעבדה המטלורגית, שעל פיו הוצבו בכור 1,500 צינורות מסודרים במעגל, והוסיף עוד 504 צינורות כדי למלא גם את הפינות. המדענים חשבו תחילה שתוספת צינורות זו היא בזבוז של זמן וכסף, אך פרמי הבין שעל ידי הצבת כל 2,004 הצינורות, יוכל הכור להגיע לרמת הכוח הנדרשת ולייצר פלוטוניום ביעילות.
כור D החל לעבוד ב-17 בדצמבר 1944 וכור F ב-25 בפברואר 1945.
תהליך ההפרדה.