cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Proxecto Manhattan
Mineral
Malia que estas adquisicións aseguraban unha subministración suficiente para as necesidades en tempo de guerra, os líderes americanos e británicos concluíron que era beneficioso para os intereses dos seus respectivos países obter o control do maior número de depósitos de uranio do mundo como fose posible. A fonte de mineral máis abondosa era a mina Shinkolobwe no Congo Belga, pero estaba inundada e pechada. Nichols tentou negociar sen éxito con Edgar Sengier, director de Union Minière du Haut Katanga, a compañía á que lle pertencía a mina, a súa reapertura e a venda da futura produción ó completo ós Estados Unidos. O Comité de Política Combinada involucrouse entón no asunto. Como o 30% das accións da Union Minière estaba controlado por intereses británicos, estes tomaron o liderado nas negociacións. John Anderson e o embaixador John Winant chegaron a un acordo con Sengier e co goberno belga en maio de 1944 para reabrir a mina e adquirir unhas 1 750 toneladas de mineral a un prezo de 1,45 dólares por libra. Para evitar a dependencia dos británicos e canadenses polo mineral, Groves acordou a adquisición das reservas de uranio da empresa US Vanadium Corporation en Uravan, Colorado. A minería de uranio en Colorado produciu ó redor dunhas 810 toneladas de mineral.
Mallinckrodt Incorporated en St. Louis recibía o mineral e disolvíao en ácido nítrico para producir nitrato de uranio. Posteriormente engadía un éter nun proceso de extracción líquido–líquido para separar as impurezas do nitrato. Isto quentábase para formar trióxido de uranio, reducido despois ata acadar un dióxido de uranio de alta pureza. Para xullo de 1942 Mallinckrodt estaba a producir unha tonelada de óxido de alta pureza por día, mais nun primeiro momento o proceso para converter o óxido en metal de uranio resultou ser máis difícil para os contratistas Westinghouse e Metal Hydrides. A produción era demasiado lenta e a calidade demasiado baixa. Estableceuse entón unha rama especial do Laboratorio Metalúrxico no Iowa State College de Ames baixo o liderado de Frank Spedding, para investigar alternativas a este proceso inicial. Isto pasou a coñecerse como o Proxecto Ames, e o novo proceso Ames estivo dispoñible a partir de 1943.
Separación de isótopos
miniatura|350px|Mapa das instalacións de [[Clinton Engineer Works|Oak Ridge, onde se levaron a cabo os diferentes procesos de separación de isótopos nas plantas Y-12, K-25, K-27 e S-50.]] O uranio natural está composto dun 99,3% de uranio-238 e un 0,7% de uranio-235, pero só este último e fisible. Sendo ámbolos dous quimicamente idénticos, o uranio-235 tiña que separarse fisicamente do outro isótopo máis abondoso. Durante o proxecto consideráronse varios métodos para o enriquecemento do uranio, a maioría deles levados a cabo nas instalacións de Oak Ridge. A centrifugación fallou, pero a separación electromagnética, a difusión gasosa e a difusión térmica tiveron éxito e contribuíron ó proxecto. En febreiro de 1943 Groves tivo a idea de utilizar a produción dalgunhas das plantas como o produto a usar noutras.
Centrifugación
Ata abril de 1942 o proceso de centrifugación estaba considerado o único método prometedor de separación. Jesse Beams desenvolvera este proceso na Universidade de Virxinia durante os anos 1930, pero atopara dificultades técnicas. O proceso requiría altas velocidades de rotación, pero ó seu paso por determinadas velocidades creábanse vibracións harmónicas que podían rachar a maquinaria. Por mor disto era necesario obter unha rápida aceleración para superar estas velocidades. En 1941 Beams comezou a traballar con hexafluoruro de uranio, o único composto gasoso do uranio, e conseguiu separar o uranio-235. En Columbia, Urey pediulle a Karl Cohen que investigase o proceso, e este produciu un corpo de teoría matemática que facía posible o deseño dunha unidade de separación centrífuga, encargándolle a súa construción a Westinghouse.
Separación electromagnética
A separación electromagnética de isótopos foi desenvolvida por Ernest Lawrence no Laboratorio de Radiación da Universidade de California. Este método utilizaba un dispositivo coñecido como calutrón, un híbrido entre o espectrómetro de masa estándar de laboratorio e un ciclotrón. O nome do dispositivo deriva das palabras «California», «university» e «cyclotron». No proceso electromagnético, un campo magnético desvía partículas cargadas segundo a masa. Este proceso non se consideraba cientificamente elegante nin eficiente a nivel industrial. Comparada cunha planta de difusión gasosa ou un reactor nuclear, unha planta de separación electromagnética consumía materiais máis escasos, requiría máis man de obra para a súa operación e o seu custo de construción era maior. Non obstante, o proceso foi aprobado xa que estaba baseado en tecnoloxía xa probada con anterioridade e polo tanto presentaba un risco menor. Ademais, podía construírse en fases e acadar unha capacidade industrial rapidamente.
esquerda|miniatura|300px|Circuíto Alfa I na planta Y-12. Marshall e Nichols concluíron que este proceso de separación electromagnética de isótopos precisaría unhas 4 500 toneladas de cobre, do que había unha importante falta de subministración. Por outra banda, podían utilizar prata como substituto, nunha proporción de 11 por 10. O 3 de agosto de 1942 Nichols reuniuse co vicesecretario do Tesouro Daniel W. Bell e solicitou a transferencia de 6 000 toneladas de lingotes de prata do Depósito de Lingotes de West Point. Eventualmente acabarían utilizando unhas 13 300 toneladas de prata. As barras de prata de 31 kg encastáronse en lingotes cilíndricos e leváronse a empresa Phelps Dodge en Bayway, Nova Jersey, onde se converteron en tiras de 15,9 mm de gordo, 76 mm de ancho e 12 m de lonxitude. A compañía Allis-Chalmers de Milwaukee, Wisconsin, encargouse de enrolar estas tiras en forma de bobinas magnéticas. Trala guerra desmantelouse e limpouse toda a maquinaria, extraendo e queimando as placas do chan baixo esta para recuperar a maior cantidade posible de prata, da que finalmente só se perdería a 1/3 600 000ª parte. O comité S-1 asignoulle a Stone & Webster a responsabilidade do deseño e construción da planta de separación electromagnética, denominada Y-12, en xuño de 1942. O deseño requiría cinco unidades de procesamento de primeira fase, denominados circuítos Alfa, e dúas unidades de procesamento final, denominados circuítos Beta. A construción comezou en febreiro de 1943, e en setembro de 1943 Groves autorizou a construción de catro circuítos máis, denominados Alfa II. Cando se iniciou a planta para unha proba programada en outubro dese ano, os tanques de baleiro de 14 toneladas desprazáronse do seu aliñamento por mor da potencia dos imáns, e tiveron que aseguralos máis firmemente. Posteriormente xurdiu un maior problema cando as bobinas magnéticas comezaron a sufrir curtocircuítos. En decembro dese ano Groves ordenou desmantelar un dos imáns para a súa inspección, atopando gran cantidade de óxido dentro del. Tras este descubrimento Groves ordenou desmantelar os circuítos e enviar os imáns de volta á fábrica para a súa limpeza. Na propia planta estableceuse unha instalación de decapado con ácido para limpar as tubaxes e outro equipamento. O segundo circuíto Alfa I non estivo operativo ata finais de xaneiro de 1944, o primeiro Beta e o primeiro e terceiro Alfa I estiveron en liña en marzo dese mesmo ano, e o cuarto Alfa I pasou a estar operativo en abril. Os catro circuítos Alfa II estiveron completos entre xullo e outubro de 1944.
miniatura|300px|Operadoras dos paneis de control na planta Y-12, coñecidas como «As rapazas do Calutrón», fotografía de [[Ed Westcott.]] Contrataron a empresa Tennessee Eastman para administrar a planta Y-12 baixo un contrato habitual de custo máis tarifa fixa, cunha tarifa de 22 500 dólares por mes máis 7 500 dólares por circuíto para os primeiros sete circuítos, e 4 000 dólares por circuíto adicional. O calutrón estivo operado nun primeiro momento por científicos de Berkeley para eliminar fallos e acadar un índice operacional razoable. Foron eventualmente substituídos por operadoras adestradas por Tennessee Eastman que só recibiran unha educación secundaria. Nichols comparou os datos de produción de unidades, indicándolle a Lawrence que as operadoras «hillbilly» estaban facéndoo mellor que os seus PhDs. Os dous acordaron realizar unha «carreira de produción» que Lawrence perdeu, o que supuxo un aumento na moral para os traballadores e supervisores da Tennessee Eastman. Segundo o propio Nichols, as mozas operadoras «estaban adestradas como soldados para non razoar un porqué», mentres que «os científicos non podían absterse de longas investigacións sobre a causa de incluso a menor das flutuacións nos instrumentos de medición».
Inicialmente a planta Y-12 enriqueceu o contido de uranio-235 ata entre o 13% e o 15%, enviando os primeiros poucos centos de gramos deste produto a Los Alamos en marzo de 1944. Só 1 parte en 5 825 de produto consumido de uranio emerxía como produto final. Gran parte do resto quedaba salpicado sobre o equipamento durante o proceso. Varios arduos traballos de recuperación axudaron a elevar a produción ata un 10% do uranio-235 consumido en xaneiro de 1945. En febreiro dese mesmo ano, os circuítos Alfa comezaron a utilizar un produto de entrada lixeiramente máis enriquecido (un 1,4%) procedente da nova planta de difusión térmica S-50. Ó mes seguinte recibiu un produto mellorado (un 5%) procedente da planta de difusión gasosa K-25, e en agosto esta planta K-25 estaba a producir uranio suficientemente enriquecido como para utilizalo directamente nos circuítos Beta.
Difusión gasosa
O método de separación de isótopos máis prometedor, pero tamén máis complicado, era a difusión gasosa. A lei de Graham afirma que a taxa de efusión dun gas é inversamente proporcional á raíz cadrada da súa masa molecular, polo que nun contedor que conteña unha membrana semipermeable e unha mestura de dous gases, as moléculas máis lixeiras sairán do contedor máis rapidamente que as moléculas máis pesadas. O gas que saia do contedor queda enriquecido nas moléculas máis lixeiras, mentres que o gas residual queda minguado. A idea proposta era que estes contedores podían dispoñerse en forma de cascada de bombas e membranas, con cada etapa sucesiva contendo unha mestura lixeiramente máis enriquecida. A investigación deste proceso levouse a cabo na Universidade de Columbia por parte dun grupo que incluía a Harold Urey, Karl P. Cohen e John R. Dunning.
O deseño de Kellex para a planta K-25 consistía nunha longa estrutura en forma de U de 800 metros de lonxitude, que contiña 54 edificios contiguos. Estes edificios dividíanse en nove seccións, e dentro destas había células de seis etapas. As células podían operarse de forma independente ou de forma consecutiva dentro dunha sección. De forma semellante, as seccións podían operarse por separado ou como parte dunha única cascada. Un grupo de sondaxe comezou a construción marcando a localización de 2 km2 en maio de 1943. O traballo no edificio principal comezou en outubro dese mesmo ano, e a planta piloto de seis etapas estivo lista para operar o 17 de abril de 1944. En 1945 Groves cancelou as etapas superiores da planta, indicándolle a Kellex que deseñasen no seu lugar unha unidade de alimentación complementaria de 540 etapas, que pasou a coñecerse como K-27. Kellex transferiu a última unidade ó contratista da operación, Union Carbide and Carbon, o 11 de setembro de 1945. O custo total, incluíndo a finalización da planta K-27 trala guerra, foi de 480 millóns de dólares.
A planta de produción comezou a súa operación en febreiro de 1945, e segundo comezaban a estar operativas as cascadas, a calidade do produto foi incrementando. En abril de 1945 a planta K-25 acadara un 1,1% de enriquecemento e comezou a utilizar a saída da planta S-50 de difusión térmica como produto de entrada. Parte da produción do mes seguinte acadou case o 7% de enriquecemento. En agosto dese ano comezou a operar a última das 2 892 etapas. As plantas K-25 e K-27 acadaron o seu potencial máximo nos primeiros anos de posguerra, eclipsando a outras plantas de produción e converténdose en prototipos dunha nova xeración de plantas de enriquecemento de uranio.
Difusión térmica
O proceso de difusión térmica baseouse na teoría de Sydney Chapman e David Enskog, que explica que cando un gas mesturado pasa a través dun gradiente de temperatura, o máis pesado tende a concentrarse no extremo frío e o máis lixeiro no extremo quente. Xa que os gases quentes tenden a elevarse e os fríos a descender, isto pode usarse como un medio de separación de isótopos. Este proceso foi demostrado por primeira vez por Klaus Clusius e Gerhard Dickel en Alemaña no ano 1938. O método foi desenvolvido por científicos da Armada dos Estados Unidos, mais non foi unha das tecnoloxías de enriquecemento de uranio seleccionadas inicialmente para o seu uso no Proxecto Manhattan. Isto foi debido a que existían dúbidas sobre a súa viabilidade técnica, aínda que a rivalidade interna entre os servizos da armada e do exército tamén xogou un papel nesta decisión inicial.
O traballo de construción iniciouse o 9 de xullo de 1944, e a planta S-50 comezou a operar parcialmente en setembro dese mesmo ano. Ferguson operaba a planta por medio da súa filial Fercleve. En outubro a planta producira 4,8 kg de uranio-235 ó 0,852%. Varias fugas limitaron a produción e forzaron paradas totais durante os meses seguintes, pero en xuño de 1945 acadou unha produción de 5 770 kg. En marzo de 1945 estaban operando tódalas 21 plataformas de produción. Nun primeiro momento a saída da planta S-50 utilizouse para alimentar á planta Y-12, mais dende marzo de 1945 tódolos tres procesos de enriquecemento pasaron a realizarse en series. A S-50 pasou a ser a primeira etapa, enriquecendo o uranio do 0,71% ata o 0,89%. Este material usábase no proceso de difusión gasosa na planta K-25, producindo un produto enriquecido ata un 23% que á súa vez alimentaba á planta Y-12, chegando alí ata ó 89%, o suficiente para as armas nucleares.
Plutonio
A segunda liña de desenvolvemento que procurou o Proxecto Manhattan usaba o plutonio como elemento fisible. Malia que existen pequenas cantidades de plutonio en estado natural, a mellor forma de obter grandes cantidades deste elemento é nun reactor nuclear, bombardeando o uranio con neutróns. O uranio-238 transmútase en uranio-239, que decae rapidamente primeiro en neptunio-239 e despois en plutonio-239. Só se transforma unha pequena cantidade do uranio-238, polo que o plutonio ten que separarse quimicamente do uranio restante, das impurezas iniciais e dos produtos da fisión.
Reactor de grafito X-10
miniatura|300px|Traballadores cargando carcasas de uranio no reactor de grafito X-10. En marzo de 1943 DuPont comezou a construción dunha planta de plutonio nun terreo de 0,5 km2 en Oak Ridge. Coa intención inicial de que servise como planta piloto para as instalacións de produción máis grandes de Hanford, incluía o reactor de grafito X-10 refrixerado por aire, unha planta de separación química e instalacións de apoio. Por mor da decisión posterior de construír reactores refrixerados por auga en Hanford, só a planta de separación química operou como verdadeiro piloto. O reactor X-10 estaba composto por un gran bloque de grafito de 7,3 m de largo por cada lado, cun peso dunhas 1 500 toneladas e rodeado por cemento de alta densidade de 2,1 m de grosor como escudo de radiación.
Supervisado por Fermi e Compton, o reactor de grafito X-10 acadou o punto crítico o 4 de novembro de 1943 cunhas 30 toneladas de uranio. Unha semana despois a carga aumentouse ata 37 toneladas, aumentando a súa potencia ata os 500 kW, e para a fin do mes creáronse os primeiros 500 miligramos de plutonio. As modificacións realizadas co tempo aumentaron a potencia ata os 4 000 kW en xullo de 1944. O reactor X-10 operou como planta de produción ata xaneiro de 1945, pasando entón a estar destinado a actividades de investigación.
Reactores en Hanford
Malia que para o reactor de Oak Ridge escollérase un deseño refrixerado por aire para axilizar a súa construción, isto sería inviable para os reactores de produción máis grandes. Os deseños iniciais do Laboratorio Metalúrxico e de DuPont utilizaban helio para a refrixeración, antes de que determinasen que un reactor refrixerado por auga sería máis sinxelo, barato e rápido de construír. O novo deseño non estivo dispoñible ata o 4 de outubro de 1943. Mentres tanto Matthias concentrouse nas melloras do lugar de Hanford construíndo aloxamentos, mellorando as estradas, construíndo unha liña de intercambio de trens e mellorando as liñas de electricidade, auga e teléfono.
miniatura|esquerda|300px|Vista aérea do [[Reactor B de Hanford, xuño de 1944.]] Ó igual que en Oak Ridge, a principal dificultade atopada estivo relacionada co enlatado de carcasas de uranio, proceso que comezou en Hanford en marzo de 1944. Estas decapáronse para eliminar a sucidade e as impurezas, déronlles baños fundidos de bronce, estaño e unha aliaxe de aluminio-sílice, enlatáronse utilizando presas hidráulicas e posteriormente seláronse con soldadura por arco baixo unha atmosfera de argon. Finalmente realizaron unha serie de probas coas carcasas para detectar orificios ou soldaduras imperfectas. A maioría das carcasas fallou estas probas, polo que nos inicios obtiveron poucas ó día que servisen para o proceso. Realizaron progresos de forma progresiva ata que en xuño de 1944 a produción incrementouse ata o punto de que terían suficientes carcasas como para comezar o reactor B segundo o programado en agosto de 1944.
O traballo no reactor B, o primeiro dos seis reactores planeados de 250 MW, comezou o 10 de outubro de 1943. Os complexos dos reactores recibiron designacións con letras dende a A ata a F, sendo os B, D e F os primeiros en construírse, xa que isto maximizaba a distancia entre reactores. Estes tres foron os únicos que se construíron durante o Proxecto Manhattan. O edificio de 37 metros de altura precisou para a súa construción unhas 400 toneladas de aceiro, 13 300 m3 de cemento, 50 000 bloques de cemento e 71 000 ladrillos de cemento.
A construción do propio reactor comezou en febreiro de 1944. Supervisado por Compton, Matthias, Crawford Greenewalt de DuPont, Leona Woods e Fermi, que foi quen inseriu a primeira carcasa, o reactor iniciouse o 13 de setembro de 1944. Durante os seguintes días cargáronse 838 tubos e o reactor acadou o punto crítico. Pouco despois da media noite do 27 de setembro os operadores comezaron a retirar as barras de control para iniciar a produción. Nun primeiro momento todo semellaba ir ben, pero ó redor das 3 AM o nivel de potencia comezou a baixar, e para as 6 AM o reactor detivérase por completo. Investigaron a auga da refrixeración para tentar determinar se había unha fuga ou contaminación. Ó día seguinte reiniciaron o reactor, que volveu a deterse por completo da mesma forma.
Fermi contactou con Chien-Shiung Wu, quen identificou a causa do problema como envelenamento por neutróns do xenon-135, que ten unha vida media de 9,2 horas. Fermi, Woods, Donald J. Hughes e John Archibald Wheeler calcularon entón a sección transversal nuclear do xenon-135, que resultou ser 30 000 veces a do uranio. Porén, o enxeñeiro de DuPont George Graves desviárase do deseño orixinal do Laboratorio Metalúrxico, no que o reactor tería 1 500 tubos dispostos nun círculo, engadindo outros 504 tubos adicionais para encher as esquinas. Os científicos consideraran isto como unha enxeñería sobrante e un gasto de tempo e cartos, mais Fermi decatouse de que se cargaban tódolos 2 004 tubos o reactor podería acadar o nivel de potencia requirido e producir plutonio de forma eficiente. O reactor D iniciouse o 17 de decembro de 1944, e o reactor F o 25 de febreiro de 1945.
Proceso de separación
miniatura|arribaádereita|300px|Mapa da localización de [[Hanford Engineer Works.]] Os químicos consideraron o problema de como separar o plutonio do uranio sen coñecer as súas propiedades químicas. Traballando coas mínimas cantidades de plutonio dispoñible no Laboratorio Metalúrxico en 1942, un equipo liderado por Charles M. Cooper desenvolveu un proceso de fluoruro de lantano para separar o uranio e o plutonio, escollido para a planta piloto de separación. Glenn Seaborg e Stanly G. Thomson desenvolveron posteriormente un segundo proceso de separación, o proceso de fosfato de bismuto. O funcionamento deste proceso consistía en conmutar o plutonio entre os seus estados de oxidación +4 e +6 en solucións de fosfato de bismuto. No primeiro estado precipitábase o plutonio, e no último mantíñase na solución precipitando outros produtos.
Greenewalt favoreceu o proceso de fosfato de bismuto por mor da natureza corrosiva do fluoruro de lantano, e este proceso foi o escollido para as plantas de separación de Hanford. En canto o reactor X-10 comezou a producir plutonio, a planta piloto de separación iniciou as súas probas. A primeira quenda foi procesada cunha eficiencia dun 40%, que aumentou nos meses seguintes ata o 90%.
En Hanford déuselle a prioridade máxima á instalación na área 300. Esta contiña edificios para materiais de probas, a preparación do uranio e a ensamblaxe e calibración de instrumentos. Un dos edificios contiña equipamento de enlatado para as carcasas de uranio, mentres que outro contiña un pequeno reactor de proba. A pesar da alta prioridade asignada, o traballo na área 300 atrasouse segundo o plan inicial por mor da natureza única e a complexidade das instalacións, así como pola falta de traballadores e materiais en tempo de guerra.
Os plans iniciais dispoñían a construción de dúas plantas de separación en cada unha das áreas coñecidas como 200-Oeste e 200-Leste. Posteriormente reduciuse o plan a só dúas, as plantas T e U, na área 200-Oeste, e a unha, a planta B, na área 200-Leste. Cada planta de separación estaba composta por catro edificios: un edificio de células de procesamento ou «canón» (coñecido como 221), un edificio de concentración (224), un edificio de purificación (231) e un almacén de tambores (213). Os canóns tiñan unha lonxitude de 240 m e unha anchura de 20 m cada un, e estaban compostos de 40 células de 5,4 x 4 x 6,1 m.
O traballo nos edificios 221-T e 221-U comezou en xaneiro de 1944, completando o primeiro en setembro e o outro en decembro dese ano. O edificio 221-B foi o seguinte en completarse, en marzo de 1945. Por mor dos altos niveis de radioactividade, todo o traballo nas plantas de separación tiña que realizarse por control remoto utilizando un circuíto pechado de televisión. O mantemento realizábase coa axuda dun guindastre elevado e ferramentas deseñadas especificamente para este propósito. Os edificios 224 eran máis pequenos xa que tiñan que procesar menos material, e este era menos radioactivo. Os edificios 224-T e 224-U completáronse o 8 de outubro de 1944, e o 224-B o 10 de febreiro de 1945. Os métodos de purificación que se utilizarían eventualmente no 231-W aínda eran descoñecidos cando a construción do mesmo comezou o 8 de abril de 1944, mais a planta completouse a finais dese mesmo ano cos métodos xa seleccionados. O 5 de febreiro de 1945 Matthias entregou en man o primeiro cargamento de 80 gramos de nitrato de plutonio puro ó 95% a un mensaxeiro de Los Alamos nos Ánxeles.
Deseño de armas
miniatura|300px|Unha fila de carcasas de [[Thin Man, con carcasas de Fat Man ao fondo.]] En 1943 os esforzos de deseño estaban dirixidos a desenvolver unha arma de fisión de tipo balístico con plutonio denominada Thin Man. A investigación inicial sobre as propiedades do plutonio realizouse usando plutonio-239 xerado nun ciclotrón, extremadamente puro, pero que só podía crearse en cantidades moi pequenas. Los Alamos recibiu a primeira mostra de plutonio procedente do reactor X-10 de Clinton en abril de 1944, e ós tres días disto Emilio Segrè descubriu un problema: o plutonio xerado en reactor tiña unha maior concentración de plutonio-240, o que daba como resultado unha taxa de fisión espontánea cinco veces maior que o plutonio xerado en ciclotrón. Seaborg xa predixera correctamente en marzo de 1943 que parte do plutonio-239 absorbería un neutrón converténdose en plutonio-240.
Isto provocaba que o plutonio xerado en reactor fose inviable para o seu uso nunha arma de tipo balístico. O plutonio-240 comezaría a reacción en cadea demasiado cedo, provocando unha predetonación que liberaría suficiente enerxía como para dispersar a masa crítica con tan só unha mínima cantidade de plutonio reaccionado (unha efervescencia). Os científicos suxeriron unha arma máis rápida, mais resultou ser inviable. Tamén se considerou e rexeitou a posibilidade de separación dos isótopos, xa que o plutonio-240 é aínda máis complicado de separar do plutonio-239 que o uranio-235 do uranio-238.
O traballo nun método alternativo de deseño de bombas, coñecido como implosión, xa comezara con anterioridade baixo a dirección do físico Seth Neddermeyer. A implosión utilizaba explosivos para machucar unha esfera subcrítica de material fisible ata acadar unha forma máis pequena e densa. Cando os átomos fisibles se comprimen xuntos entre eles, a taxa de captura de neutróns aumenta e a masa pasa a ser crítica. O metal precisa viaxar só unha distancia moi curta, polo que a masa crítica ensámblase en moito menos tempo do que levaría cun método balístico. As primeiras investigacións sobre a implosión de Neddermeyer en 1943 e comezos de 1944 foron prometedoras, pero tamén deixaron claro que o problema sería moito máis difícil dende a perspectiva teórica e de enxeñaría que para o propio deseño da arma. En setembro de 1943 John von Neumann, que xa tiña experiencia coas cargas ocas utilizadas nos proxectís perforantes, argumentou que a implosión non só reduciría o perigo de predetonación e efervescencia, senón que tamén faría un uso máis eficiente do material fisible, e propuxo utilizar unha configuración esférica no lugar da cilíndrica na que estaba a traballar Neddermeyer.
miniatura|esquerda|300px|Diagrama dunha bomba nuclear de implosión. En xullo de 1944 Oppenheimer chegou á conclusión de que o plutonio non podía utilizarse nun deseño balístico, e optou polo deseño de implosión. O acelerado esforzo de deseño para un deseño de implosión, baixo o nome en clave Fat Man, comezou en agosto de 1944 cando Oppenheimer puxo en funcionamento unha reorganización do Laboratorio de Los Alamos. Creáronse dous novos grupos no laboratorio, a División X (de explosives) liderada polo experto en explosivos George Kistiakowsky e a División G (de gadget) baixo o liderado de Robert Bacher.. O novo deseño de von Neumann e a División T (de theoretical), principalmente Rudolf Peierls, usaba lentes explosivas para enfocar a explosión nunha forma esférica usando unha combinación de elementos de explosión rápida e lenta.
O desafío máis importante para os metalúrxicos foi determinar como darlle forma de esfera ó plutonio. As dificultades tornáronse aparentes cando os intentos de medir a densidade do plutonio obtiveron resultados inconsistentes. Nun primeiro momento os científicos creron que estas inconsistencias eran por mor da contaminación, pero ó pouco tempo determinaron que existían múltiples alótropos do plutonio. A fase α inestable que existe a temperatura ambiente muda a unha fase β plástica a temperaturas máis altas. Os científicos centráronse na fase δ máis maleable que existe no rango de temperaturas entre os 300 °C e os 450 °C. Esta era estable a temperatura ambiente nunha aliaxe con aluminio, mais o aluminio emite neutróns cando se bombardea con partículas alfa, algo que exacerbaría o problema da predetonación. Os científicos conseguiron unha aliaxe plutonio-galio que estabilizou esta fase δ e podía prensarse en quente na forma esférica desexada, á que lle deron unha capa de níquel para evitar que se corroera o plutonio.
Estes traballos eran perigosos, e para a fin da guerra a metade dos químicos e metalúrxicos experimentados tiveron que ser dados de baixa por mor da aparición de altos niveis de plutonio na súa urina Un pequeno incendio en Los Alamos en xaneiro de 1945 deu lugar á preocupación de que o laboratorio de plutonio podería contaminar a vila enteira, polo que Groves autorizou a construción dunha nova instalación para a química e metalurxia do plutonio, que pasou a coñecerse co nome de sitio DP. Os hemisferios do primeiro núcleo de plutonio producíronse e foron entregados o 2 de xullo de 1945, con tres hemisferios máis producidos o 23 de xullo e entregados tres días despois.
Proba Trinity
Por mor da complexidade dunha arma de implosión decidiuse que, malia o gasto de material fisible, sería necesaria unha proba inicial. Groves aprobou esta proba, sempre que se puidese recuperar o material activo. Os científicos consideraron provocar unha efervescencia controlada, pero Oppenheimer optou por unha proba nuclear completa, que recibiu o nome en clave «Trinity».
esquerda|miniatura|300px|thumbtime=4|Vídeo da explosión da proba Trinity. En marzo de 1944 Kenneth Bainbridge, profesor de física en Harvard, recibiu a asignación de planear a proba baixo a dirección de Kistiakowsky. Bainbridge escolleu o campo de bombardeo preto do Aeroporto do Exército de Alamogordo como o lugar para a proba. Bainbridge traballou co capitán Samuel P. Davalos na construción do campo base Trinity e das súas instalacións, que incluían barracóns, almacéns, talleres, unha polvoreira e un comisariado.
Groves non vía con entusiasmo a perspectiva de explicarlle a perda de plutonio por valor de miles de millóns de dólares a un comité do senado, polo que construíron un recipiente de contención co nome en código «Jumbo» para recuperar o material activo en caso de fallo da proba. Con 7,6 m de largo e 3,7 m de ancho, este dispositivo foi fabricado con 217 toneladas de ferro e aceiro nas instalacións de Babcock & Wilcox en Barberton, Ohio. Foi transportado nun ferrocarril especial ata unha vía morta en Pope, Novo México, e dende alí levárono os últimos 40 km ata o lugar da proba tirado por dous tractores. Cando chegou ó sitio a confianza en que o método de implosión funcionaría era alta, e a dispoñibilidade de plutonio suficiente, polo que Oppenheimer decidiu non utilizalo. No seu lugar situárono no cumio dunha torre de aceiro a 730 m de distancia da arma como forma de medir como de poderosa sería a explosión. Trala proba o Jumbo sobreviviu, malia que a torre na que estaba non, o que axudou á crenza de que o Jumbo podería ter sido suficiente para conter unha efervescencia na explosión.
O 7 de maio de 1945 levaron a cabo unha explosión de proba inicial para calibrar os instrumentos. Erixiron unha plataforma de madeira a uns 730 m da zona cero e amontoaron 100 toneladas de TNT engadíndolle trazas de produtos da fisión nuclear en forma de uranio irradiado procedente de Hanford, que fora disolto e verquido dentro do explosivo. Oppenheimer supervisou esta explosión xunto ó novo comandante substituto de Groves, o xeneral de brigada Thomas Farrell. Os datos que obtiveron nesta proba inicial resultaron ser vitais para a subsecuente proba Trinity.
Para a proba final izaron a arma, de nome en clave «o trebello» (the gadget), na parte alta dunha torre de aceiro de 30 m, xa que a detonación a esa altura daría unha mellor indicación de como se comportaría a arma ó lanzarse dende un bombardeiro. A detonación no aire maximizaría a enerxía aplicada directamente ó obxectivo, e xeraría menos residuos radioactivos. O trebello montouse baixo a supervisión de Norris Bradbury no edificio próximo McDonald Ranch House o 13 de xullo, e foi elevado de forma precaria cun cabrestante ó día seguinte. Entre os observadores da proba estaban Bush, Chadwick, Conant, Farrell, Fermi, Groves, Lawrence, Oppenheimer e Tolman. Ás 5:29 AM do 16 de xullo de 1945 o trebello explotou cunha enerxía equivalente duns 20 quilotóns de TNT, deixando un cráter de trinitita (cristal radioactivo) no deserto de 76 m de ancho. A onda de choque sentiuse ata uns 160 km de distancia, e a nube de cogomelo chegou ós 12 km de altura. A detonación chegou a escoitarse na cidade de El Paso, Texas, polo que Groves tivo que difundir unha historia sobre unha explosión nunha polvoreira do campo de Alamogordo para encubrir a proba.
Persoal
miniatura|dereita|250px|O xeneral [[Leslie R. Groves dando un discurso diante do persoal de Oak Ridge en agosto de 1945.]] En xuño de 1944 o Proxecto Manhattan tiña ó redor de 129 000 traballadores empregados, dos que 84 500 eran traballadores da construción, 40 500 eran operadores de planta e 1 800 eran persoal militar. Segundo se foi reducindo a actividade de construción, a forza de traballo baixou ata os 100 000 empregados un ano despois, malia que o persoal militar incrementouse ata as 5 600 persoas. A adquisición do número de traballadores requiridos, especialmente os de alta cualificación, en competición con outros programas vitais de tempo de guerra, resultou ser moi difícil. En 1943 Groves obtivo unha prioridade especial para o traballo da Comisión de Persoal de Guerra, e en marzo de 1944 tanto esta comisión como a Xunta de Produción de Guerra outorgáronlle a prioridade máis alta ó proxecto.
Tolman e Conant, no seu papel de conselleiros científicos do proxecto, elaboraron unha lista de científicos candidatos que foron avaliados por outros científicos que xa estaban a traballar no proxecto. Despois Groves envioulles unha carta persoal ós reitores das súas universidades ou xefes das súas empresas pedíndolles que os liberasen para realizar un traballo esencial para a guerra. Na Universidade de Wisconsin–Madison, Stanislaw Ulam tivo que adiantarlle a Joan Hinton un dos seus exames para que este puidese marchar a traballar no proxecto. Uns meses despois o propio Ulam recibiu unha carta de Hans Bethe, invitándoo a unirse ó proxecto, mentres que Conant convenceu persoalmente a Kistiakowsky a que se unise ó proxecto. Unha das fontes de persoal cualificado foi o propio exército, en particular o Programa de Adestramento Especializado do mesmo. En 1943 creouse o Destacamento Especial de Enxeñería, cunha forza autorizada de 675 efectivos. Os técnicos e traballadores cualificados recrutados no exército foron asignados a este destacamento. Outra das fontes de persoal foi o Corpo de Mulleres do Exército. Disposto nun primeiro momento para tarefas de oficina no manexo de material clasificado, ó pouco tempo o persoal deste corpo foi asignado tamén a tarefas científicas e técnicas.
Un profesor asociado de radioloxía na Universidade de Rochester, Stafford L. Warren, foi comisionado coronel no Corpo Médico do exército e designado xefe da sección médica do proxecto, ademais de conselleiro médico de Groves. A súa tarefa inicial foi a dirección de persoal médico nos hospitais de Oak Ridge, Richland e Los Alamos. A Sección Médica foi responsable da investigación médica e dos programas de saúde e seguridade. Isto supuxo un gran desafío, xa que os traballadores manexaban unha variedade de químicos tóxicos, usaban líquidos e gases perigosos baixo altas presións, traballaban con altas voltaxes e realizaban experimentos con explosivos, a maiores dos descoñecidos perigos da radioactividade e o manexo de materiais fisibles. Malia todo, en decembro de 1945 o Consello Nacional de Seguridade outorgoulle ó Proxecto Manhattan o Premio de Honra ó Servizo Distinguido na Seguridade en recoñecemento ó seu rexistro de seguridade. Entre xaneiro de 1943 e xuño de 1945 houbo 62 mortos e 3 879 feridos incapacitados no proxecto, un 62% por debaixo da taxa da industria privada.
Segredo
miniatura|esquerda|Cartel animando a manter o segredo do proxecto entre os traballadores de Oak Ridge. Un artigo de 1945 na revista Life estimou que antes dos bombardeos de Hiroshima e Nagasaki «probablemente non máis dunha ducia de homes en todo o país coñecía o significado completo do Proxecto Manhattan, e quizais só outros miles sabían incluso que o traballo cos átomos estaba involucrado». A revista escribiu que máis de 100 000 empregados no proxecto «traballaban coma toupas na escuridade». Advertidos de que a difusión de segredos do proxecto tiña unha pena de 10 anos de cárcere ou unha multa de 10 000 dólares, os traballadores vían entrar nas factorías enormes cantidades de materia prima sen que saíse nada delas, e supervisaban «válvulas e interruptores mentres que tralas grosas paredes de cemento tiñan lugar misteriosas reaccións» sen coñecer o propósito do seu traballo.
O persoal de seguridade de Oak Ridge consideraba calquera festa privada con máis de sete persoas como sospeitosa, e os residentes—que crían que axentes do goberno estaban en segredo entre eles—evitaban invitar repetidamente os mesmos convidados. Malia que os residentes orixinais da zona podían soterrarse nos cemiterios xa existentes, tódolos cadaleitos tiñan que abrirse diante dun membro do corpo de seguridade para a súa inspección. Tódolos residentes, incluíndo os oficiais de maior rango, e os seus automóbiles tiñan que pasar por unha revisión ó entrar e saír das instalacións do proxecto. Un traballador de Oak Ridge afirmou publicamente que «se te poñías inquisitivo, chamábante os axentes secretos do goberno en menos de dúas horas. Habitualmente ós que chamaban para dar explicacións acompañábanos coas maletas ata a porta de entrada e ordenábanlles que seguisen andando». Porén, malia que se lles indicaba que o seu traballo axudaría a finalizar a guerra e quizais tódalas guerras futuras, non ver ou comprender os resultados das súas tediosas tarefas, os efectos secundarios típicos do traballo nas fábricas e a fin da guerra en Europa sen o uso do seu traballo provocaron serios problemas na moral dos traballadores e que se espallasen moitos rumores.
Un dos xerentes de persoal participantes no proxecto afirmou trala guerra:
Outra traballadora declarou como, traballando nunha lavandería, pasábanlle tódolos días un «instrumento especial» ós uniformes que emitía un «ruidiño». Non foi ata despois da guerra que esta traballadora soubo que estivera realizando a tarefa de buscar radiación cun contador Geiger. Para mellorar a moral entre estes traballadores, creouse en Oak Ridge un extenso sistema de ligas deportivas intra muros, incluíndo 10 equipos de béisbol, 81 de softball e 26 de fútbol americano.
Censura
miniatura|Póster de seguridade advertido os traballadores de pechar os caixóns e manter todo gardado.
A censura voluntaria da información atómica comezou xa antes do Proxecto Manhattan. Tralo comezo da guerra en Europa en 1939, os científicos estadounidenses comezaron a evitar a publicación de investigacións relacionadas con temáticas militares, e en 1940 as publicacións científicas comezaron a solicitarlle á Academia Nacional das Ciencias que dese o seu visto e prace ós artigos publicados. William L. Laurence do New York Times escribiu en setembro de 1940 un artigo para o The Saturday Evening Post sobre a fisión atómica, coñecendo posteriormente que en 1943 varios axentes do goberno solicitaran ás bibliotecas de todo o país que retirasen ese número. Os soviéticos decatáronse deste silencio, e en abril de 1942 o físico nuclear Georgy Flyorov escribiulle a Iosif Stalin advertíndolle da ausencia de artigos sobre a fisión nuclear nas publicacións estadounidenses. Isto desencadeou que a Unión Soviética establecese o seu propio proxecto para unha bomba atómica.
O Proxecto Manhattan operou baixo unha seguridade férrea para tentar evitar que o seu descubrimento inducise as potencias do Eixe, especialmente Alemaña, a acelerar os seus propios proxectos nucleares ou levar a cabo operacións encubertas contra o proxecto. Pola contra, a Oficina de Censura do goberno confiou en que a prensa cumprise un código voluntario de conduta nas súas publicacións, e o proxecto pasou desapercibido nun primeiro momento. A comezos de 1943 os xornais comezaron a publicar informes de grandes construcións en Tennessee e Washington baseándose en rexistros públicos, e a oficina comezou a revisar coa dirección do proxecto como poderían manter o segredo. En xuño a Oficina de Censura solicitoulles ós xornais e locutores que evitasen debater sobre «esmagamento de átomos, enerxía atómica, fisión atómica, separación atómica, ou calquera dos seus equivalentes», así como sobre «o uso para propósitos militares do radio ou materiais radioactivos, auga pesada, equipamento de descarga de alto voltaxe ou ciclotróns». A oficina tamén solicitou evitar o debate sobre «polonio, uranio, iterbio, hafnio, protactinio, radio, renio, torio e deuterio»; aínda que só o uranio era o confidencial, listouse xunto a outros elementos para agochar a súa importancia.
Espionaxe soviética
A posibilidade de sabotaxe estivo presente durante todo o proxecto, sospeitándose deste feito en ocasións cando ocorrían fallos de equipamento. Mentres que se confirmou que algúns problemas foron causados por empregados insatisfeitos ou neglixentes, non houbo instancias confirmadas de sabotaxe instigada polo Eixe. Porén, o 10 de marzo de 1945 unha bomba globo xaponesa bateu cunha liña eléctrica, provocando unha sobrecarga de tensión que causou a parada temporal de tres reactores en Hanford. Cun número moi alto de persoas involucradas no proxecto, a seguridade do mesmo resultaba unha tarefa complicada. Formouse un destacamento especial denominado Corpo de Contraintelixencia para tratar os problemas de seguridade do proxecto. En 1943 os estadounidenses tiñan a certeza de que a Unión Soviética estaba intentando infiltrarse no proxecto. O tenente coronel Boris T. Pash, xefe da rama de contraintelixencia do Mando de Defensa Occidental, investigou unha sospeita de espionaxe soviética no Laboratorio de Radiación en Berkeley. Oppenheimer confirmoulle a Pash de que un profesor compañeiro de Berkeley, Haakon Chevalier, solicitáralle certa información para pasarlla á Unión Soviética.
O espía soviético que obtivo o maior éxito foi Klaus Fuchs, membro da misión británica cun papel destacado en Los Alamos. A revelación no ano 1950 das súas actividades de espionaxe danou a cooperación nuclear estadounidense co Reino Unido e o Canadá. Subsecuentemente descubríronse outros casos de espionaxe, dando como resultado o arresto de Harry Gold, David Greenglass e Ethel e Julius Rosenberg. Outros espías como George Koval e Theodore Hall non foron descubertos durante varias décadas. O valor destas accións de espionaxe resulta difícil de cuantificar para os historiadores, xa que a principal restrición no proxecto soviético da bomba atómica foi a escaseza de mineral de uranio. O consenso xeral indica que a espionaxe aforroulles ós soviéticos un ou dous anos de investigación.
Intelixencia estranxeira
miniatura|esquerda|300px|Soldados [[Aliados da segunda guerra mundial|aliados desmantelando o reactor nuclear experimental alemán en Haigerloch en abril de 1945.]] Ademais do desenvolvemento da bomba atómica, o Proxecto Manhattan tiña a tarefa de recompilar intelixencia sobre o proxecto alemán de enerxía nuclear. Os estadounidenses crían que o programa xaponés de armas nucleares non estaba moi avanzado xa que o Xapón tiña acceso a moi pouco mineral de uranio, mais si temían que Alemaña estaba moi preto de conseguir desenvolver as súas propias armas nucleares. Instigado polo Proxecto Manhattan, levouse a cabo unha campaña de bombardeo e sabotaxe contra plantas de auga pesada na Noruega ocupada por Alemaña. Creouse unha pequena misión con persoal da Oficina de Intelixencia Naval, da OSRD, do propio Proxecto Manhattan e do grupo de intelixencia do exército G-2 para investigar os desenvolvementos científicos do inimigo, sen limitarse a aqueles relacionados coas armas nucleares. O xefe da intelixencia do exército, o xeneral maior George V. Strong, asignou a Boris Pash ó mando da unidade, que recibiu o nome en clave «Alsos», palabra de orixe grega que significa «arboredo».
En Italia, a chamada misión Alsos interrogou a persoal do laboratorio de física da Universidade de Roma trala captura da cidade en xuño de 1944. Mentres tanto, Pash formou unha división combinada da misión, británica e estadounidense, en Londres, baixo o mando do capitán Horace K. Calvert para participar na operación Overlord. Groves considerou que o risco de que os alemáns puidesen intentar deter os desembarcos de Normandía con velenos radioactivos era suficiente como para advertirlle disto ó xeneral Eisenhower enviando a un oficial para informar o seu xefe de persoal, o tenente xeneral Walter Bedell Smith. Baixo o nome en clave de operación Peppermint, preparouse equipamento especial e adestraron a equipos de Servizo de Guerra Química para usalo.
Seguindo os primeiros avances dos exércitos Aliados en Europa, Pash e Calvert entrevistáronse con Frédéric Joliot-Curie para preguntarlle sobre as actividades dos científicos alemáns. Falaron tamén con oficiais da Union Minière du Haut Katanga sobre os cargamentos de uranio enviados a Alemaña. Localizaron 68 toneladas de mineral en Bélxica, e outras 30 toneladas en Francia. Os interrogatorios de varios prisioneiros alemáns indicáronlles que o uranio e o torio estaban a ser procesados en Oranienburg, a uns 32 km de Berlín, polo que Groves ordenou o seu bombardeo o 15 de marzo de 1945.
Un equipo da misión Alsos desprazouse ata Stassfurt na zona de ocupación soviética e recuperou 11 toneladas de mineral de uranio das instalacións da compañía Wirtschaftliche Forschungsgesellschaft. En abril de 1945 Pash, ao mando dunha forza composta coñecida como a Forza-T, levou a cabo a operación Harborage, un varrido tralas liñas inimigas das cidades de Hechingen, Bisingen e Haigerloch que compoñían o corazón do esforzo nuclear alemán. A Forza-T capturou laboratorios nucleares, documentación, equipamento e subministracións, incluíndo auga pesada e 1,5 toneladas de uranio metálico. Varios equipos da misión Alsos foron tamén os encargados de capturar a varios científicos alemáns, incluíndo a Kurt Diebner, Otto Hahn, Walther Gerlach, Werner Heisenberg e Carl Friedrich von Weizsäcker, que foron levados a Inglaterra e internados en Farm Hall, unha residencia vixiada en Godmanchester.