אוק רידג' (אתר גרעיני)

האתר הגרעיני באוק רידג' (שמו הרשמי: קלינטון עבודות הנדסיות, ובאנגלית: (CEW) ‏Clinton Engineer Works) היה אתר מפעלי הייצור והעשרת האורניום של פרויקט מנהטן, שפעל באוק רידג' במדינת טנסי שבארצות הברית במהלך מלחמת העולם השנייה. האורניום המועשר שייצר שימש בפצצת האטום שהוטלה על הירושימה באוגוסט 1945. בנוסף, יוצרו בו לראשונה כמויות קטנות של פלוטוניום. האתר כלל שלושה מוקדים עיקריים: מפעלי ההעשרה והייצור, מפעלי עזר שונים, כולל תחנת כוח ועיירת המגורים אוק רידג'. האתר שכן במזרח מדינת טנסי, כ-29 ק"מ מערבית לנוקסוויל, ובשמו הרשמי נקרא על שם העיירה קלינטון, כ-13 ק"מ מצפון לאתר. מהנדס 'מחוז מנהטן', קנת ניקולס, העביר את מטה המחוז ממנהטן שבניו יורק לאוק רידג' שבטנסי באוגוסט 1943. במהלך המלחמה התבצע עיקר המחקר המתקדם שנדרש לאתר על ידי אוניברסיטת שיקגו.
כ-15,000 עובדי הבנייה, שבנו את מפעלי הייצור, שוכנו בעיירה הזמנית הפי ואלי (Happy Valley), שנבנתה בידי חיל ההנדסה האמריקאי ב-1943. העיירה אוק רידג' נבנתה כדי לשכן את עשרות אלפי עובדי הייצור. שיא מספר העובדים באתר (עובדי מפעלי הייצור ועובדי הבנייה) היה 80,000. העובדים השחורים גרו בנפרד.

בחירת האתרים

ב-25 ביוני 1942 התכנסה ועדת S-1 של המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD), כדי לקדם את המאמץ לאיתור שטחים לבניית מפעלי הייצור וההעשרה. בריגדיר גנרל וילהלם סטייר המליץ לבנות את כל מתקני הייצור באותו אתר, על מנת לפשט ולהוזיל את האבטחה ואת הבנייה. הקריטריונים לבחירת האתר כללו: קירבה למקורות כוח אדם, נגישות באמצעות כבישים ורכבות, אקלים מתון שיאפשר בנייה לאורך כל השנה, שטח מופרד על ידי רכסי הרים שיקטינו את הסכנה מפיצוצים עקב תקלה, אך לא תלולים מדי כדי לא להקשות על הבנייה, הקרקע צריכה להיות יציבה מספיק כדי לאפשר יציקת יסודות טובים למבנים, אך לא סלעית מדי שלא תקשה על עבודות חפירה.
ההערכה הייתה כי המפעלים יזדקקו לכוח חשמלי של כ-150,000 קילוואט, ולכ-1,400,000 ליטר מים לדקה. מדיניות מחלקת המלחמה קבעה גם, כי ככלל, אסור למקם מתקני תחמושת ממערב לסיירה נבדה או לרכס קסקייד במערב ארצות הברית, או ממזרח להרי האפלצ'ים במזרח, או בטווח של 320 ק"מ (200 מייל) מגבול קנדה או מקסיקו.
מספר שטחים פוטנציאליים שעמדו בקריטריונים אותרו בעמק הנהר טנסי, שניים באזור שיקגו, אחד ליד סכר שאסטה שעל נהר סקרמנטו שבקליפורניה, וכן במדינת וושינגטון, שם הוקם בהמשך אתר הנפורד לייצור פלוטוניום. צוות OSRD בחר לבסוף את אזור נוקסוויל שבטנסי באפריל 1942, ובחודש מאי נפגש ארתור קומפטון, מנהל המעבדה המטלורגית באוניברסיטת שיקגו, עם גורדון קלפ, המנהל הכללי של רשות עמק טנסי. מהנדס 'מחוז מנהטן' (שהוא גם תוארו של ראש פרויקט מנהטן בחיל ההנדסה), קולונל ג'יימס מרשל, ביקש מקולונל לסלי גרובס לבצע בדיקה של המקום מטעם המהנדס הראשי של חיל ההנדסה. גרובס הגיע גם הוא למסקנה כי השטח המוצע באזור נוקסוויל, שבגבולו הדרומי זורם נהר קלינץ', מתאים. הוא גם קיבל הבטחות מרשות עמק הטנסי שהכוח החשמלי הדרוש למפעלים יסופק אם תינתן עדיפות לרכישת הציוד הנדרש. ההתנגדות היחידה הייתה של ארנסט לורנס, שרצה שמפעל ההפרדה האלקטרומגנטית יהיה קרוב יותר למעבדת הקרינה שלו בקליפורניה, אך גם הוא הסיר את התנגדותו בספטמבר.
ב-1 ביולי 1942 סקרו מרשל וסגנו, קנת ניקולס, אתרים באזור נוקסוויל יחד עם נציגי רשות עמק הטנסי וחברת סטון אנד ובסטר, קבלן הבנייה המיועד. לטעמו של מרשל לא נמצא אתר מתאים לחלוטין, והוא אף הורה על סקר נוסף באזור ספוקיין שבוושינגטון. באותה עת, כמעט כל טכנולוגיות העשרת האורניום והכור הגרעיני היו עדיין בשלב מחקרי, ולוחות הזמנים המתוכננים, שנקבו בסוף 1942 כמועד גמר בניית המפעלים, היו לחלוטין בלתי מציאותיים. למרות זאת ניתן היה להתחיל מיד לבנות בנייני מגורים ומינהל.
ב-23 בספטמבר מונה לסלי גרובס למנהל פרויקט מנהטן בדרגת בריגדיר גנרל, וכבר באותו יום נסע ברכבת לנוקסוויל. לאחר סיור באתר, הגיע גרובס למסקנה כי האתר "היה בחירה טובה אפילו יותר ממה שציפיתי". הוא התקשר לקולונל ג'ון או'בריאן מאגף הרכישות בחיל ההנדסה, והורה לו להמשיך ברכישת הקרקע. בינואר 1943 נקרא האתר באופן רשמי "קלינטון עבודות הנדסיות", עם שם הקוד "אתר X". לאחר שהוקמה עיירת המגורים באמצע 1943, נבחר "אוק רידג'" לשמה מבין מספר הצעות שהעלו עובדים. השם התאים מכיוון ש"הקונוטציה הכפרית שלו הקטינה את הסקרנות בו למינימום". אך רק לאחר המלחמה, ב-1947, נקבע שם המקום באופן רשמי, וסומן במפות ארצות הברית.

רכישת הקרקעות

אף שמדיניות מחלקת המלחמה קבעה כי יש לרכוש קרקעות באמצעות קנייה ישירה, הוחלט שבשל הזמן הקצר ולוחות הזמנים הלחוצים תיעשה ההתקדמות באופן מיידי באמצעות הפקעה. באופן זה התאפשרה גישה מהירה לאתר לצוותי הבנייה, התאפשר פיצוי מהיר יותר לבעלי הקרקע, והואץ הטיפול ברכוש שניירת הבעלות עליו פגומה. הממשל התארגן במהירות לביצוע מבצע רכישת הקרקעות, וכבר ב-28 בספטמבר 1942 פתח, בניהולו של "אגף נהר אוהיו" של חיל ההנדסה, משרד רכישה פדרלי בעיירה הרימן הסמוכה, עם צוות של 54 מודדים, שמאים, עורכי דין ועובדי משרד. למחרת אישר תת-מזכיר המלחמה, רוברט פטרסון, לרכוש 56,000 אקר (כ-227 קמ"ר) בעלות מוערכת של 3.5 מיליון דולר. לבקשת עורכי הדין של משרד הרכישה, הוציא בית המשפט של מחוז מזרח טנסי צו-בעלות על הקרקעות החל מיום 7 באוקטובר. מתוך הכרה בקשיים שייגרמו לבעלי הקרקעות, הגביל בית המשפט את החזקה הבלעדית המיידית רק לקרקעות "החיוניים לפיתוח מלא ושלם של הפרויקט".
על אף היותו דליל אוכלוסייה, עדיין התגוררו באתר מעל 1,000 משפחות בחוות ובכפרים. רוב המשפחות שמעו על רכישת אדמתם וביתם מנציג מטעם המשרד שביקר אצלם, אך רבים מצאו הודעות פינוי ממוסמרות לדלתם או לעץ בחצר כשחזרו לביתם מהעבודה.
לרוב המשפחות ניתנו שישה שבועות לפנות את ביתם, אך חלקם קיבלו שבועיים בלבד. ב-20 בנובמבר 1942 החזיק הממשל ב-13 קטעי שטח שבהם היה צורך לבצע עבודות בנייה דחופות ומיידיות. לרוב התושבים נאמר להיערך לעזיבה בין 1 בדצמבר 1942 ל-15 בינואר 1943. במקרים בהם היה חשש שהפינוי יגרום לקשיים גדולים מדי, אפשרו לתושבים להישאר מעבר למועד זה. עבור חלקם הייתה זו הפעם השלישית שהם פונו מביתם על ידי הממשל, לאחר שפונו בשנות ה-20 משטחי הפארק הלאומי גרייט סמוקי מאונטיינז, ופונו אחר-כך בידי רשות עמק טנסי מאזור סכר נוריס  בשנות ה-30. רבים ציפו שבדומה לאופן פעולתה של רשות עמק הטנסי, יעניק להם הצבא סיוע שיעזור להם להתגורר במקום חדש; אך בשונה מהפינוי לצורך בניית הסכר, לא הייתה לצבא כל משימה לשפר את השטח או את החלקה שיקבלו התושבים המפונים, וכלל לא הוקצו כספים למטרה זו. חלק מהתושבים אף נאלצו להשאיר אחריהם רכוש שלא היו מסוגלים לקחת עימם, בין היתר בשל המחסור בצמיגים שהיה באמריקה בזמן המלחמה, והמספר הקטן של כלי רכב שנעו בדרכים.
משלחת של בעלי קרקעות הגישה עצומה למשרדי "אגף נהר אוהיו" ב-23 בנובמבר 1942 במחאה על תפיסת רכושם, ובאותו לילה קיימו למעלה מ-200 בעלי קרקעות ישיבה ובה הסכימו לשכור עורכי דין ושמאים כדי לתבוע את הממשל הפדרלי. העיתונות והפוליטיקאים המקומיים אהדו את מטרתם. בסוף מאי 1943 הושגו הסכמים על 416 חלקות קרקע בהיקף של 21,742 אקר (כ-88 קמ"ר), אך חלק ניכר מבעלי האדמות דחו את הצעות הממשל. בתגובה לביקורת הציבורית הגוברת, הזמין או'בריאן בדיקה נוספת של משרד החקלאות, שמצא שהערכות השמאים היו הוגנות וצודקות, וכי החקלאים העריכו יתר על המידה את גודל אדמתם ואת תפוקתה.
גם פנייה של בעלי הקרקעות לחבר הקונגרס המקומי שלהם, ג'ון ג'נינגס, מספר ועדות וחקירת קונגרס שהסתיימה בדצמבר 1943, לא הניבו הגדלה של הפיצוי הכספי שהמפונים כבר קיבלו על רכושם.
ביולי 1943 הכין גרובס 'כרוז ציבורי' מס' 2, והכריז על האתר כשטח צבאי סגור. הוא ביקש להיפגש עם מושל טנסי, פרנטיס קופר. השניים לא נפגשו, וקופר זעם על כך שלא הודיעו לו מה מטרת המפעלים ב-CEW, על כך שהצבא בעט את החקלאים מאדמתם, ועל כך שהממשל לא פיצה את המחוזות עבור הכבישים והגשרים שייסגרו כעת. בכעסו קרע המושל את הכרוז והשליך אותו לסל הפסולת, וכלל לא קרא אותו. גרובס שלח את קנת ניקולס, מהנדס 'מחוז מנהטן' החדש שהחליף את ג'יימס מרשל, כדי ליישר את ההדורים עם המושל. ניקולס וקופר נפגשו ב-31 ביולי, וניקולס הציע פיצוי בצורה של מימון פדרלי לשיפור דרכים וגשרים בטנסי, שהתקבל על ידי קופר. קופר גם קיבל את הצעתו של ניקולס לבקר במפעלי CEW ב-3 בנובמבר 1943.
שטחי אדמה נוספים נרכשו במהלך 1943 ו-1944 לבניית כבישי גישה, למסילת רכבת ולמטרות ביטחוניות, כך שהשטח הכולל שנרכש היה 58,900 אקר (שהם כ-238.4 קמ"ר, או כ-238,400 דונם). המשרד בהרימן נסגר ב-10 ביוני 1944, אך נפתח מחדש ב-1 בספטמבר כדי לטפל באדמות נוספות. הרכישה האחרונה הושלמה ב-1 במרץ 1945. העלות הכוללת של הקרקע שנרכשה הייתה בסביבות 2.6 מיליון דולר, שהם בממוצע כ-11 דולר לדונם.

כור הגרפיט X-10

ב-2 בפברואר 1943 החלה דופונט בבניית מפעל הרצה קטן לייצור פלוטוניום באתר מבודד בשטח של 112 אקר (כ-0.5 קמ"ר) בעמק בית-אל, כ-16 ק"מ דרומית-מערבית לאוק רידג'. המפעל נועד להיות מתקן ניסוי והרצה למפעלי הייצור הגדולים יותר שתוכננו להיבנות באתר הנפורד. הוא כלל כור גרפיט מקורר באוויר, ממתן נייטרונים העשוי גרפיט, וכונה בשם הקוד X-10. היו בו גם מפעל להפרדה כימית, מעבדות מחקר, שטח לאחסון פסולת, מתקן הדרכה לצוותים מהנפורד ומתקני שירות שכללו מכבסה, קפטריה, מרכז עזרה ראשונה ותחנת כיבוי אש. בגלל ההחלטה שהתקבלה לאחר מכן לבנות בהנפורד כורים מקוררים במים (ולא באוויר), רק מפעל ההפרדה הכימית פעל כמתקן ניסוי והרצה אמיתי. המתקן היה ידוע בשם "מעבדות קלינטון", והופעל על ידי אוניברסיטת שיקגו במסגרת המעבדה המטלורגית שלה.
כור הגרפיט X-10 היה הכור הגרעיני השני שנבנה בעולם, אחרי כור "שיקגו פייל-1" שבנה אנריקו פרמי באוניברסיטת 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.
הבנייה החלה ב-27 באפריל 1943 רק לאחר שדופונט סיימה את התכנון, והיו בה עיכובים שנבעו מהיתקלות בקרקע חימר רכה בזמן חפירת היסודות, מקשיי אספקת חומרי בניין בשל המלחמה, ממחסור בפועלים מיומנים ופשוטים, 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 פיתחו טכניקת ריתוך חדשה, ששולבה בפס הייצור של אלקואה באוקטובר 1943. בפיקוח קומפטון, מרטין ויטקר ופרמי, 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 ל-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 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.
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.
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 (Chapman–Enskog theory), 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 אבלסון, 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, וקלינטון עבודות הנדסיות קיבלה תחנות משנה חשמליות משלה 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 לוסיוס 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 בתנאי מחסור של זמן מלחמה בחומרים. 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".
נוכחות הצבא באוק רידג' גברה בספטמבר 1943 כשלסלי גרובס החליף את ג'יימס מרשל כראש פרויקט מנהטן. קנת ניקולס, סגנו של גרובס, העביר את מטה המחוז לאוק רידג', אם כי שמו של המחוז, 'מחוז מנהטן', לא השתנה. בספטמבר 1943 הועבר ניהול המתקנים הקהילתיים באוק רידג' בקבלנות משנה לחברת 'טרנר בנייה' דרך חברת בת רואן-אנדרסון, שלקחה אחריות על המתקנים באופן מדורג: באוקטובר תפעול המכבסות, מיד אחר-כך הפעלת תחבורה ציבורית ואיסוף האשפה, בנובמבר מערכות המים והביוב, ובינואר 1944 רשת החשמל. מספר עובדי רואן-אנדרסון הגיע לשיא של כ-10,500 עובדים בפברואר 1945, כולל זכיינים וקבלני משנה. לאחר מכן ירד מספר העובדים, ובסיום פרויקט מנהטן ב-31 בדצמבר 1946 הם מנו כ-6,500.
באמצע 1943 התברר כי ההערכות הראשוניות לגבי גודל העיירה היו נמוכות מדי, ונדרש שלב בנייה נוסף. התוכניות עודכנו כעת לעיירה בת 42,000 תושבים. העבודות החלו בסתיו 1943 ונמשכו עד סוף קיץ 1944. הורחבו בתי החולים, המשטרה, שירותי הכבאות ומערכת הטלפונים. נבנו רק כ-4,800 מתוך 6,000 הבתים המשפחתיים שתוכננו, רובם במזרח העיר ובאזור הלא מפותח שלאורך כביש 61. כ-2,800 מהבתים המשפחתיים היו מבנייה טרומית. בתי הספר היסודיים הוגדלו ונוספו חדשים עד תכולה של 7,000 תלמידים, ובית הספר התיכון הורחב לתכולה של 1,000 תלמידים.
אף על פי שהיה נראה שהבנייה תספק את כל צורכי כוח העבודה עד סוף הפרויקט, ההרחבות שנדרשו במפעל ההעשרה האלקטרומגנטית Y-12 ובמפעל הדיפוזיה הגזית K-25 עד סוף שנת 1944 הביאו שוב להגדלת תחזית האוכלוסייה ל-62,000 נפש. יחידות המגורים והתשתיות הוגדלו בהתאם, ובתי הספר הורחבו עד 1945 לתכולה של 9,000 תלמידים. סוגיה מרכזית שהעסיקה את המדענים ואת העובדים המיומנים הייתה איכות מערכת החינוך. אף שעובדי בתי הספר היו באופן רשמי עובדי חינוך של מחוז אנדרסון המקומי בטנסי, התנהלה מערכת בתי הספר באופן אוטונומי, במימון פדרלי ובפיקוח מנהלים שמונו על ידי הצבא. המורים באוק רידג' נהנו ממשכורות שהיו גבוהות במידה ניכרת משכר המורים לבני האוכלוסייה הוותיקה במחוז אנדרסון. אוכלוסיית אוק רידג' הגיעה לשיא של 75,000 במאי 1945, כשאז הועסקו 82,000 איש באתר הגרעיני, ועוד 10,000 על ידי רואן-אנדרסון.
בנוסף לעיירה הוקמו מספר מחנות זמניים למגורי עובדי בנייה. מחנה הקרוואנים הגדול ביותר, בגמבל ואלי, כלל 4,000 יחידות, ואחר, בהאפי ואלי, שיכן 15,000 איש.
אזור הקניות הראשי בעיירה היה כיכר ג'קסון, עם כ-20 חנויות. הצבא ניסה להוריד את המחירים על ידי עידוד התחרות, אך בהצלחה מוגבלת בגלל היותה של האוכלוסייה "שבויה", ובשל דרישות הביטחון שמנעו מספקים ומסחורות לנוע באופן חופשי פנימה והחוצה. הצבא נמנע מהטלת פיקוח דרקוני על המחירים, אך הגביל את רמתם לאלה של מוצרים דומים בנוקסוויל הסמוכה. עד 1945 כללו מתקני הקהילה 6 אולמות בילוי, 36 אולמות באולינג, 23 מגרשי טניס, 18 מגרשי בייסבול, 12 גני שעשועים, בריכת שחייה, ספרייה עם 9,400 ספרים ועיתון.

העובדים ותנאי העבודה

החל מ-1 באפריל 1943 נשלטה הגישה למפעלי האתר הגרעיני בקפידה. הוא הוקף בגדרות תיל, עם שערים מוגנים, ושומרים סיירו סביבו כל העת. כל העובדים נאלצו לחתום על הצהרת ביטחון, שמטרתה הייתה להודיע להם על עונשים אפשריים על ריגול והפרת סודיות על פי חוק הריגול האמריקאי משנת 1917 . דואר ומכתבים עברו צנזורה, ונעשה שימוש בפוליגרף בתהליך קבלת עובדים ובבדיקות ביטחוניות. לכל עובד הוענק תג מקודד-צבע שהגביל את המקומות אליהם הוא יכול להיכנס. למרות אמצעי הביטחון, חדרו לאתר הגרעיני המרגלים ג'ורג' קובאל ודייוויד גרינגלאס, שהעבירו סודות לברית המועצות.
בריאות ובטיחות תעסוקתית הציבו אתגר, מכיוון שהעובדים באו במגע עם מגוון כימיקלים רעילים, השתמשו בנוזלים ובגזים מסוכנים בלחצים גבוהים, עבדו במתח גבוה, והתמודדו עם סכנות, שרובן לא נחקר כראוי, של רדיואקטיביות ושל טיפול באיזוטופים בקיעים. ריבוי התאונות גרם למספר גבוה ובלתי קביל לחלוטין של ימי עבודה שאבדו, והוכנה תוכנית נמרצת לשיפור הבטיחות. התוכנית עסקה במניעת תאונות בעבודה, וגם בבתים ובבתי הספר. החדרה של נורמות בטיחותיות נכללה בתהליכי ההכשרה לעבודה, ונערכו גם קורסים ממוקדים בנושאי בטיחות. הופצו גם כרזות בטיחות, מדריכים וסרטים בנושא. בדצמבר 1945 העניקה המועצה לבטיחות לאומית לפרויקט מנהטן את אות ההוקרה לשירות בטיחותי, מתוך הכרה ברמת הבטיחות הגבוהה שאליה הגיע הפרויקט. אוק רידג' גם קיבלה פרס הוקרה בתחרות הלאומית לבטיחות בתעבורה. עובדים רבים נאלצו לנסוע מרחקים ארוכים על כבישים משובשים ובלתי מתוחזקים כנדרש. 21 עובדים נהרגו מכלי רכב באוק רידג' בארבע השנים שבין 1943–1946, מספר שייצג בטיחות תעבורתית טובה יותר מאשר ערים אחרות בגודל דומה.
אזרחי אוק רידג' לא הורשו להיות להשתתף בשלטון מקומי כלשהו, אך מדינת טנסי, שהייתה מודאגת מהפסד פוטנציאלי של הכנסות ממיסים, לא מנעה מהם אפשרות לבעלות על קרקע. תושבי אוק רידג' לא חיו אפוא במעין "שמורה" פדרלית, והיו רשאים להצביע בבחירות הארציות ובבחירות למדינת טנסי. ולמרות זאת היו ניסיונות להקשות על הצבעתם של התושבים, כמו במשאל העם על השאלה אם מחוז אנדרסון יישאר "מחוז יבש" מאלכוהול; ביום המשאל נסגר לפתע לצורך תיקונים גשר אג'מור, שעליו עברה רוב התחבורה מאוק רידג' לכיוון נוקסוויל, ו"היובש" נותר על כנו. בהצבעה הבאה ב-1947 התהפכה ההחלטה, כשרוב התומכים בביטול היובש היו המצביעים מאוק רידג'.
זו הייתה רק נקודת שוני אחת בין תושבי אוק רידג' לתושבי שאר מחוז אנדרסון. בעוד שרוב תושבי אוק רידג' היו בעלי תעודות בגרות, ורבים מהם בעלי תארים אקדמיים, רמת ההשכלה הממוצעת של מבוגרים במחוז אנדרסון הייתה 6.8 שנות לימוד בלבד. תושבי אוק רידג' דרשו, וגרובס התעקש עימם, שמורים משובחים ילמדו בבתי הספר ושמתקני הלימוד יהיו ברמה הגבוהה ביותר. כדי להשיג זאת שילם מחוז מנהטן למורים כמעט פי שניים מהנהוג בשאר מחוז אנדרסון. הדבר גרם להתרוקנות של מורים מוסמכים טובים מהאזורים הסובבים, מה שעורר תרעומת רבה.
מחוז מנהטן הסכים שהשכר באוק רידג' צריך להיות גבוה מספיק כדי לאפשר לקבלנים להעסיק ולהחזיק עובדים טובים. מדיניות זו אפשרה לקבלנים לשלם שכר כראות עיניהם, בכפוף למגבלות זמן מלחמה על השכר, ובקרת מחירים שנועדה להגביל את האינפלציה. פטרסון וגרובס היו צריכים לאשר שכר גבוה מ-9,000 דולר.
מועצת הייצור המלחמתית התבקשה להחזיק מלאי מספיק בחנויות באוק רידג' כדי להפחית בהיעדרויות מעבודה. כשהיה מחסור, תושבי אוק רידג', ששכרם היה גבוה יחסית, קנו מוצרים שהיה קשה להשיג באזורים הסמוכים. עובדים שהועסקו באתר לא שוחררו מגיוס תחת מערכת השירות הסלקטיבי. בקשות לדחיית שירות הוגשו רק עבור עובדים קריטיים, בעיקר מדענים וטכנאים צעירים שחויבו בגיוס.

לאחר תום המלחמה

החל מסוף 1945 ולאחר תום המלחמה פורקו באופן הדרגתי המנגנונים המיוחדים שהותאמו לעיר אוק רידג' ולעובדי האתר הגרעיני, והוחלפו בהדרגה בחברות ובמנגנונים אמריקניים רגילים. כך מערכת התחבורה, מערכת הטלפוניה, שירותי הבריאות, הביטוח הרפואי ומערכות אחרות.
למחרת סיומו המתוכנן של פרויקט מנהטן ב-31 בדצמבר 1946, עבר הפיקוח על האתר הגרעיני כולו ב-1 בינואר 1947 לוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית (AEC). המעבדה, שנוהלה במהלך פרויקט מנהטן בידי אוניברסיטת שיקגו, הפכה עצמאית, ומינואר 1948 היא המעבדה הלאומית אוק רידג' .
סיום המלחמה העלה את אוק רידג' לתשומת הלב הלאומית, ובתוך כך גם הובאו לידיעת הציבור האמריקאי התנאים המפלים שבהם התגוררו התושבים השחורים. רואן-אנדרסון תכננה עבורם כפר חדש, שנקרא סקרבורו, ותוכנן להיבנות בגמבל ואלי, במקום שבו עמד בעבר מחנה קרוונים לעובדי בנייה. הבנייה החלה בשנת 1948, והתושבים הראשונים עברו לגור בשנתיים שלאחר מכן. במקום זה שכנה כל הקהילה השחורה של אוק רידג' עד תחילת שנות השישים.
בשנת 1947, אוק רידג' הייתה עדיין חלק מ"אי של סוציאליזם באמצע ים של כלכלת יוזמה חופשית". ה-AEC רצתה לפרוש מניהול הקהילה, אך הדבר לא היה פשוט. גורמים רשמיים ב-AEC הסבירו שוב ושוב שרואן-אנדרסון סיפקה לתושבים הרבה יותר משירותים עירוניים רגילים, ושהיתרונות של כלכלה חופשית היו מועטים בעיני התושבים. הם נהנו מדמי שכירות נמוכים, לא שילמו ארנונה, קיבלו שירותים עירוניים וקהילתיים בסטנדרטים גבוהים, ומערכת החינוך הייתה מצוינת. היסטוריון העיר אוק רידג', ויליאם וילקוקס, ציין כי תושבי העיר נהנו מאוד מקיומם המוגן כלכלית, ומההטבות הנדיבות שהצבא סיפק. סקר שנערך אצל התושבים בימי פתיחת השערים, הראה כי הם מתנגדים לשינוי ביחס של 10 ל-1.
עם זאת, ב-19 במרץ 1949 נפתחו אזור המגורים והאזור המסחרי של אוק רידג' לגישה ציבורית. בטקס החגיגי שהתקיים נכחו סגן הנשיא אלבן ברקלי, מושל טנסי גורדון בראונינג, יו"ר הוועדה לאנרגיה אטומית דייוויד ליליינטל, וכוכבת הקולנוע מארי מקדונלד. כולם הביטו בשומרים המסירים את המחסומים שחסמו את העיר מאז הקמתה. הגישה למתקני הגרעין נשלטה על ידי שלושה בתי שער. ב-6 ביוני 1951 קראה ועדת ההקצבה של הסנאט לוועדה לאנרגיה אטומית להפסיק את "השיטה הלא דמוקרטית הנוכחית" להפעלת הקהילה, ויזמה צעדים בכדי לכפות על תושבי אוק רידג' להקים את המוסדות הדמוקרטיים המקובלים בערי ארצות הברית, ולאמץ את מערכת הכלכלה החופשית המקובלת.