פרויקט מנהטן

פרויקט מנהטן (באנגלית: Manhattan Project) היה שם הצופן של פרויקט מחקר ופיתוח שהתבצע במהלך מלחמת העולם השנייה, שהביא לייצור פצצות האטום הראשונות. הוא נוהל בידי ארצות הברית ונתמך גם על ידי בריטניה וקנדה. בשנים 1942–1946 ניהל את הפרויקט כולו מייג'ור גנרל לסלי גרובס מחיל ההנדסה של צבא ארצות הברית. פיזיקאי הגרעין רוברט אופנהיימר ניהל את מעבדות לוס אלמוס שבניו מקסיקו, שבהן התבצע עיקר הפיתוח המדעי והתכנון של הפצצות עצמן. תחילתו של הפרויקט הייתה בשנת 1939 ובמשאבים מצומצמים, אך הוא גדל בהדרגה עד שכלל מעל 130,000 עובדים, ועלה כ-2 מיליארד דולר (שווי ערך לכ-23 מיליארד דולר של 2018).
שני סוגים של פצצות אטומיות פותחו במקביל במהלך המלחמה: הסוג הראשון היה פצצת מנגנון ירי, והסוג השני היה פצצת מנגנון קריסה, כשמרבית הפיתוח של תהליכי הפרדת האורניום והעשרתו נעשו באתר הגרעיני שהוקם באוק רידג' שבטנסי. באתר זה גם יוצרו בהמשך החומרים הבקיעים שהורכבו בפצצות. במקביל לעבודת הפיתוח שנעשתה על האורניום, נעשה מאמץ לייצר פלוטוניום. הוקם כור גרפיט באוק רידג' וכורי ייצור בהנפורד שבמדינת וושינגטון, שבהם הוקרן האורניום וחלקו הפך לפלוטוניום, שהופרד באמצעים כימיים מהאורניום. פצצת הפלוטוניום "איש שמן" פותחה לבסוף במאמצי תכנון ופיתוח מתואמים במעבדות לוס אלמוס.
במהלך הפרויקט נעשה מאמץ מודיעיני רחב היקף לאיסוף אינפורמציה על פרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית. במשימת אלסוס נשלחו עובדים מפרויקט מנהטן לאירופה, לעיתים אל מעבר לקווי האויב הנאצי, ואספו מסמכים וחומר גרעיני שייצרה גרמניה, ואף עצרו מדעני אטום גרמניים.
בשיאו של הפרויקט התבצעו הפיתוח והייצור בכ-30 אתרים, בעיקר בארצות הברית אך גם בבריטניה ובקנדה, והשתתפו בו גדולי המדענים באותה עת, ובהם הפיזיקאים ארנסט לורנס, ארתור קומפטון, נילס בוהר, אנריקו פרמי, אדוארד טלר, ריצ'רד פיינמן, יוג'ין ויגנר, ג'יימס צ'דוויק והאנס בתה; המתמטיקאים ג'ון פון נוימן וסטניסלב אולם; והכימאים גלן סיבורג והרולד יורי.
הפצצה הגרעינית הראשונה פוצצה בניסוי טריניטי, שבוצע בניו מקסיקו ב-16 ביולי 1945. הפצצות "ילד קטן" ו"איש שמן", התוצרים העיקריים של הפרויקט, פוצצו כחודש אחד אחר-כך על הירושימה ונגסאקי, החריבו את שתי הערים היפניות, ונהרגו מהן באופן ישיר על-פי ההערכות בין 120 ל-226 אלף איש, רובם אזרחים.

התחלה

גילוי הביקוע הגרעיני על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן ב-1938, והתאוריה של התהליך שפיתחו ליסה מייטנר ואוטו פריש, הפכו את הפיתוח של פצצה אטומית לאפשרות סבירה באופן תאורטי. בתהליך זה נבקע גרעין האטום כאשר פוגע בו נייטרון, וחלק מן המסה של הגרעין הופכת לאנרגיה. בסוף שנות השלושים של המאה ה־20 החלה להתברר עוצמתו של התהליך. היו חששות, במיוחד בקרב פיזיקאים, בעיקר יהודים, שברחו מגרמניה הנאצית וממדינות פאשיסטיות אחרות, שפרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית יביא לפיתוח פצצה ראשונה שכזו בידי הגרמנים. הם ידעו מניסיונם כי המחקר בתחום זה בגרמניה מתקדם ביותר. רבים מהם חשו על בשרם את אימת המשטר הנאצי, והבינו היטב שאם תינתן הפצצה בידי אדולף היטלר, הוא לא יהסס להשתמש בה. שלושה פיזיקאים יהודים ילידי הונגריה שהגיעו לארצות הברית, לאו סילארד, אדוארד טלר ויוג'ין ויגנר, הבינו כי כתוצאה מתהליך זה עלולה להיווצר "תגובת שרשרת" של ביקוע: הגרעין המתבקע פולט שני נייטרונים או יותר, נייטרונים אלה או חלק מהם עשויים לפגוע בגרעינים נוספים ולבקעם, וכך הלאה. אם המסה של החומר הבקיע גדולה די הצורך ("מסה קריטית"), תשתחרר מהתהליך בתוך זמן קצר כמות עצומה של אנרגיה. המסקנה כי ניתן לרתום את עוצמת האנרגיה המשתחררת בתגובת השרשרת ליצירת נשק רב עוצמה, הייתה מהירה. ההסבר התאורטי לבליעה ולפיזור של נייטרונים ניתן במאמר משותף של נילס בוהר וג'ורג' פלאצ'ק.
באוגוסט 1939 ניסחו הפיזיקאים לאו סילארד ויוג'ין ויגנר את מכתב איינשטיין-סילארד שהזהיר את הנשיא פרנקלין רוזוולט מפני פיתוח אפשרי של "פצצה בעלת עוצמה גדולה במיוחד מסוג חדש", שגרמניה הנאצית עלולה לפתח ראשונה. במכתב הם מתריעים שעל ארצות הברית לנקוט בצעדים להשגת מצבורים של עפרות אורניום, וממליצים לזרז את המחקר של אנריקו פרמי ומדענים אחרים בתחום תגובות שרשרת גרעיניות. הם שכנעו את אלברט איינשטיין לחתום על המכתב, והעבירו אותו לנשיא רוזוולט ב-2 באוגוסט 1939. רוזוולט מינה את ליימן בריגס  ממשרד התקנים הלאומי האמריקני לראש ועדת הייעוץ בנושא אורניום שתבדוק את כל הנושאים שעלו במכתב. בריגס ערך פגישה ב-21 באוקטובר 1939, שבה נכחו גם סילארד, ויגנר ואדוארד טלר. הוועדה דיווחה לרוזוולט בנובמבר שאורניום "יספק מקור אפשרי לפצצות עם כוח הרס גדול בהרבה מכל מה שידוע עד עתה".
ב-27 ביוני 1940 הפכה ועדת הייעוץ ל"ועדת המחקר להגנה לאומית בנושא אורניום" (NDRC). בריגס המליץ על השקעה ראשונית של 167,000 דולר למחקר האורניום, במיוחד של האיזוטופ אורניום-235, ושל יסוד שהתגלה באותם ימים, פלוטוניום. ב-28 ביוני 1941 חתם רוזוולט על צו ביצועי שעל פיו הוקם המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD) בראשות המהנדס וניבר בוש, וה-NDRC הוכפפה אליו כאגף המחקר S-1. המשרד הוסמך לעסוק גם בפרויקטים הנדסיים גדולים לפי הצורך, בנוסף לפעילותו המחקרית. בצו הושמטה המילה "אורניום" מטעמי ביטחון.
בבריטניה ביצעו אוטו פריש ורודולף פיירלס מאוניברסיטת ברמינגהאם פריצת-דרך ביוני 1939, בחקירת המסה הקריטית של אורניום-235. על פי חישוביהם היא הייתה בסדר גודל של 10 קילוגרם, משקל קטן מספיק שיאפשר לשאתו במטוס הפצצה. התזכיר שכתבו במרץ 1940 הביא להקמת פרויקט הגרעין הבריטי, ואת כינונה של ועדת MAUD  הבריטית, שהמליצה פה אחד על פיתוח פצצה אטומית. באותה עת היה הפרויקט הבריטי מעט גדול יותר ומתקדם יותר מהפרויקט האמריקאי.
החל מיולי 1940 אפשרה בריטניה למדענים אמריקניים גישה למחקר המדעי שבוצע בה, ולכל הממצאים המדעיים שהשיגה בנושא, כולל לממצאי ועדת MAUD. אחד מחברי הוועדה, הפיזיקאי האוסטרלי מרק אוליפנט, טס לארצות הברית בסוף אוגוסט 1941, ולתדהמתו גילה שהמידע שהועבר מאנגליה לא הגיע כלל לפיזיקאים אמריקאים בכירים. כתוצאה, הוא ביקש וקיבל פגישה עם ועדת האורניום האמריקאית, וביקר בברקלי, שם הוא דיבר עם ארנסט לורנס. לורנס התרשם מספיק כדי להתחיל לחקור בעצמו את האורניום, ואף דיבר על כך עם ג'יימס קונאנט, ארתור קומפטון וג'ורג' פגרם . שליחותו של אוליפנט הייתה, לפיכך, מוצלחת; פיזיקאים אמריקאים חשובים החלו להיות מודעים לכוח הפוטנציאלי הגדול של הפצצה האטומית.
ב-9 באוקטובר 1941 אישר רוזוולט את התוכנית האטומית לאחר פגישה שכינס עם וניבר בוש וסגן הנשיא הנרי וולאס. לשליטה על התוכנית יצר רוזוולט "קבוצת מדיניות עליונה" שעמד בראשה (אף שמעולם לא השתתף בהמשך בכינוסיה), וכללה את וולאס, בוש, נשיא אוניברסיטת הרווארד הכימאי ג'יימס קונאנט, מזכיר המלחמה הנרי סטימסון, וראש מטה הצבא הגנרל ג'ורג' מרשל. רוזוולט בחר בזרוע הצבא של הכוחות המזוינים (ולא בזרוע חיל הים) להפעיל את הפרויקט, מכיוון שלצבא היה ניסיון גדול יותר בניהול פרויקטי ייצור ובנייה רחבי היקף. הוא גם הסכים לתיאום מאמצים עם הבריטים, וב-11 באוקטובר 1941 שלח הודעה לווינסטון צ'רצ'יל שבה הציע שיתכתבו ויהיו מתואמים ביניהם בנושאי האטום.

הצעות

לאחר ההתקפה היפנית על פרל הארבור ב-7 בדצמבר 1941 והכרזת המלחמה של ארצות הברית על יפן ועל גרמניה, כונסה ב-18 בדצמבר באגף המחקר S-1 פגישה "חדורה באווירת התלהבות ובתחושת דחיפות". המחקר להפרדת האיזוטופ אורניום-235 מתוך עפרת האורניום-238 התקדם בשלוש טכניקות. ארנסט לורנס וקבוצת המחקר שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי חקרו הפרדה באמצעים אלקטרומגנטיים, בעוד שקבוצת המחקר של אגר מרפרי  וג'סי וייקפילד בימס  בדקו הפרדה באמצעות דיפוזיה גזית באוניברסיטת קולומביה בניו יורק, ופיליפ אבלסון הוביל מחקר שהתבסס על דיפוזיה תרמית במכון קרנגי למדע בוושינגטון, ובהמשך במעבדות חיל הים.
בינתיים נפתחו גם שני מסלולי מחקר על טכנולוגיות לפיתוח כור גרעיני. הרולד יורי המשיך במחקר על מים כבדים באוניברסיטת קולומביה, וארתור קומפטון הביא מדענים מאוניברסיטאות קליפורניה, קולומביה ופרינסטון לקבוצת מחקר תחת ניהולו באוניברסיטת שיקגו. הוא הקים בה בתחילת 1942 מעבדת מטלורגיה לחקר פלוטוניום וכורים, ושימוש בגרפיט כחומר ממתן מהירות נייטרונים. בריגס, קומפטון, לורנס, מרפרי ויורי נפגשו ב-23 במאי 1942 כדי לנסח סופית את המלצותיה של ועדת המחקר S-1, שבהן היא קראה להמשיך בפיתוח כל חמש הטכנולוגיות שנחקרו. ההמלצות אושרו על ידי בוש, קונאנט, ובריגדיר גנרל וילהלם סטייר , ראש מטה אגף שירות ואספקה של מייג'ור גנרל ברהון סומרוול , שגם מינה נציג צבאי לענייני גרעין. בוש וקונאנט העבירו את ההמלצות ל"קבוצת המדיניות העליונה", עם הצעה לתקציב של 54 מיליון דולר לבנייה לחיל ההנדסה של זרוע הצבא, ועוד 31 מיליון דולר למחקר ופיתוח ל-OSRD, והיא העבירה זאת ב-17 ביוני לנשיא רוזוולט, שאישר מיידית.

עקרונות התכנון

קומפטון ביקש מהפיזיקאי התאורטי רוברט אופנהיימר מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי לקחת על עצמו את המחקר על החישובים הקשורים בנייטרונים מהירים — המפתח לחישוב המסה הקריטית והיתכנות הפיצוץ — שבוצע עד אז בידי גרגורי ברייט. ברייט נאלץ לעזוב ב-18 במאי 1942 בשל חששות הקשורים לביטחון מידע. ג'ון מנלי, פיזיקאי במעבדה המטלורגית בשיקגו, מונה לעוזרו של אופנהיימר לתיאום ניסויים פיזיקליים שביצעו קבוצות שהיו מפוזרות ברחבי המדינה. אופנהיימר ורוברט סרבּר מאוניברסיטת אילינוי בחנו את הבעיות של דיפוזיה של נייטרונים — איך נייטרונים נעים בעת תגובת שרשרת גרעינית, וכן בעיות של הידרודינמיקה — איך פיצוץ שנוצר מתגובת שרשרת עשוי להתנהג. ביולי 1942 כינסו אופנהיימר ופרמי פגישות באוניברסיטת שיקגו ובאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, כדי לדון בעבודתם ובתאוריה הכללית של ביקוע גרעיני, עם הפיזיקאים התאורטיים הנס בתה, ג'ון ואן ולק, אדוארד טלר, אמיל קונופינסקי, רוברט סאבר, סטאן פרנקל ואלדרד נלסון, ועם הפיזיקאים הניסויים אמיליו סגרה, פליקס בלוך, פרנקו רזטי, ג'ון מלני ואדווין מקמילן. הם אישרו עקרונית שפצצת ביקוע אפשרית באופן תאורטי.
נושאים רבים סביב פיתוח הפצצה היו עדיין בלתי פתורים או בלתי ידועים. התכונות של אורניום-235 טהור היו יחסית לא ידועות, וכך גם לגבי פלוטוניום, יסוד שהתגלה רק בפברואר 1941 על ידי גלן סיבורג וצוותו. המדענים שהשתתפו בפגישת יולי 1942 בברקלי שכינסו אופנהיימר ופרמי, חזו הפקת פלוטוניום בכורים גרעיניים שבהם אטומי אורניום-238 סופגים נייטרונים שנפלטו מביקוע של אטומי אורניום-235. בשלב זה עדיין לא נבנו כורים, ולרשות המדענים היו רק כמויות מזעריות של פלוטוניום מציקלוטרונים. אפילו בדצמבר 1943, יוצרו ועמדו לרשותם רק שני מיליגרם של פלוטוניום. היו דרכים רבות לאגד את החומר הבקיע לתוך מסה קריטית. הדרך הפשוטה הייתה לירות "מצת גלילי" באמצעות "מדחס" לתוך תווך של "חומר אקטיבי" — חומר דחוס שימקד נייטרונים פנימה, ישמור את המסה המגיבה צמודה, ובכך יגביר את יעילותה. נבדקו גם אפשרויות של שימוש בספרואידים ליצירת "מנגנון קריסה" בסיסי, שהוצעו על ידי ריצ'רד טולמן , וגם אפשרויות של שיטות אוטו-קטליטיות שיגבירו את כוח ההרס של הפצצה.
אף שרעיון פצצת הביקוע הגרעיני נחשב לאפשרי ופתור באופן תאורטי — לפחות עד שיגיעו נתונים נוספים מניסויים ממשיים — הביא הכינוס בברקלי לשינוי בכיוון. אדוארד טלר לחץ לדיון בפצצת ניסוי חזקה יותר ב-1942. הפצצה, שכונתה "פצצת מימן", תשתמש בחומר נפץ של פצצת ביקוע כדי להצית תגובה של היתוך גרעיני בדאוטריום ובטריטיום, שהם שני איזוטופים של מימן. טלר הציע מספר תוכניות, אך בתה התנגד לכל אחת מהן. רעיון ההיתוך נזנח מעט כדי להתרכז בייצור פצצות ביקוע. טלר גם העלה השערה ספקולטיבית מרחיקת לכת, שפיצוץ גרעיני עלול להצית את האטמוספירה של כדור הארץ, בשל תגובת היתוך היפותטית של גרעיני אטומים של חנקן. בתה חישב ומצא שדבר כזה אינו אפשרי, והוצא דו"ח שטלר השתתף בכתיבתו, שהראה ש"אין היתכנות סבירה שתתחיל תגובת שרשרת גרעינית המופצת עצמית".

מחוז מנהטן

ביוני 1942 בחר המהנדס הראשי של הצבא, מייג'ור גנרל יוג'ין רייבולד , בקולונל ג'יימס מרשל לראש החלק הצבאי בפרויקט. מרשל יצר משרד-קשר בבניין משרד המלחמה בוושינגטון, והקים מטה זמני ברובע מנהטן שבניו יורק, שם היה יכול לקבל תמיכה מנהלית מחטיבת ההנדסה הצפון אטלנטית. במקום זה הוא גם היה קרוב למשרדי סטון אנד ובסטר, הקבלן הראשי של הפרויקט, ולאוניברסיטת קולומביה. הוא מינה את לוטננט קולונל קנת ניקולס לסגנו.
כיוון שרוב משימותיו היו קשורות לבנייה, עבד מרשל בשיתוף עם ראש חטיבת הבינוי של חיל ההנדסה, מייג'ור גנרל תומאס רובינס, ועם סגנו, קולונל לסלי גרובס. סומרוול, רייבולד וסטייר החליטו לקרוא לפרויקט "פיתוח מעבדתי של חומרים חלופיים" (DSM), אך גרובס הרגיש ששם זה ימשוך תשומת לב. כיוון שפרויקטים הנדסיים נקראו בדרך כלל על שם העיר שבה הם שוכנים, הסכימו מרשל וגרובס שהמרכיב הצבאי בפרויקט יקרא "מחוז מנהטן" (Manhattan District). באופן לא רשמי, הוא היה ידוע כ"מחוז הנדסי מנהטן" (MED), ושלא כמו מחוזות אחרים בחיל ההנדסה לא היו לו גבולות גאוגרפיים מוגדרים. "פיתוח מעבדתי של חומרים חלופיים" נשאר שם-הקוד הרשמי של הפרויקט בכללותו, אך שמו הוחלף במשך הזמן ל"פרויקט מנהטן".
מאוחר יותר הודה מרשל כי "מעולם לא שמעתי על ביקוע אטומי, אבל ידעתי שאי אפשר לבנות מפעל, ובוודאי לא ארבעה מפעלים, תמורת 90 מיליון דולר". צוות של סטון אנד ובסטר כבר סקר והמליץ על אתר עבור מפעלי הייצור. מועצת הייצור המלחמתית המליצה על אתרים סביב נוקסוויל שבטנסי, אזור מבודד שבו רשות עמק טנסי יכלה לספק חשמל בשפע והנהרות בו יכלו לספק מים לקירור הכורים. לאחר בחינת מספר אתרים, בחר צוות הסקר אתר ליד אלזה שבטנסי. קונאנט יעץ שאתר זה יירכש מיד, אך מרשל השתהה, והחליט להמתין לתוצאות ניסויי הכורים שביצע קונאנט לפני שינקוט בפעולה. מבין תהליכי ההפרדה הפוטנציאליים, רק ההפרדה האלקטרומגנטית של לורנס נראתה מתקדמת מספיק כדי להתחיל עבורה פעולות של בניית מפעל.
מרשל וניקולס החלו להרכיב את המשאבים שיידרשו לפרויקט. הצעד הראשון היה להשיג עבורו דירוג גבוה של עדיפות צבאית. הדירוגים העליונים היו AA-1 עד AA-4 בסדר יורד. דירוג העדיפות שהושג היה AA-3, ודירוג חירום מיוחד, AAA, למצבים שבהם יתעורר צורך בחומרים קריטיים. ניקולס ומרשל התאכזבו מהדירוג, שהיה נמוך ממה שציפו.

ועדת המדיניות הצבאית

וניבר בוש לא היה מרוצה מאי-יכולתו של מרשל להניע את הפרויקט במהירות, ובמיוחד מהתמהמהותו ברכישת האתר בטנסי, מהעדיפות הנמוכה שהקצה הצבא לפרויקט, וממקום המטה שלו בניו יורק. בוש הרגיש שיש צורך במנהיגות אגרסיבית יותר, ודיבר על כך עם הארווי באנדי  ועם הגנרלים מרשל, סומרוול וסטייר. הוא רצה שהפרויקט יעמוד תחת ועדת מדיניות בכירה, ושקצין בעל יוקרה, עדיף סטייר, יעמוד בראשו.
סומרוול וסטייר בחרו בלסלי גרובס לתפקיד ראש הפרויקט, והודיעו לו על כך ב-17 בספטמבר 1942. גרובס גם קודם לדרגת בריגדיר גנרל, משום שהורגש שהתואר "גנרל" ישפיע לטובה על מדענים וחוקרים העובדים בפרויקט. גרובס היה עתה בפיקודו הישיר של סומרוול, וקולונל מרשל היה תחת פיקודו של גרובס. גרובס הקים את מפקדתו בוושינגטון, בקומה החמישית של בניין מחלקת המלחמה, שם היה לקולונל ג'יימס מרשל משרד קישור. גרובס מונה רשמית לראש פרויקט מנהטן ב-23 בספטמבר 1942, וזומן לוועדת מדיניות צבאית שזימן מזכיר המלחמה הנרי סטימסון. טולמן וקונאנט מונו מאוחר יותר ליועצים המדעיים של גרובס.
ב-19 בספטמבר פנה גרובס לדונלד נלסון, יו"ר מועצת הייצור המלחמתי, וביקש סמכות להנפיק עדיפות AAA בכל פעם שנדרש. נלסון נרתע תחילה, אך מיהר לסגת כאשר גרובס איים ללכת לנשיא. לאחר מסע שכנוע ארוך קיבל גרובס, רק ב-1 ביולי 1944, את הסמכות לעדיפות AA-1.
אחת הבעיות הראשונות של גרובס הייתה למצוא מנהל לפרויקט Y, הקבוצה שתתכנן ותבנה את הפצצה בלוס אלמוס. הבחירה הברורה הייתה של אחד משלושת ראשי המעבדה, הרולד יורי, ארנסט לורנס או ארתור קומפטון, אך אי אפשר היה לוותר עליהם בתפקידם באותה עת. קומפטון המליץ על רוברט אופנהיימר, שכבר הכיר מקרוב את עקרונות תכנון הפצצה. עם זאת, לאופנהיימר היה ניסיון ניהולי מועט, ובניגוד ליורי, לורנס וקומפטון, לא זכה בפרס נובל, סטטוס שמדענים רבים חשו כי ראש מעבדה חשובה שכזאת צריך לשאת. היו גם חששות לגבי סיווגו הביטחוני של אופנהיימר, שכן רבים מחבריו היו קומוניסטים, בהם אחיו, פרנק אופנהיימר; אשתו, קיטי; וחברתו, ז'אן טטלוק. שיחה ממושכת ברכבת באוקטובר 1942 שכנעה את גרובס וניקולס שאופנהיימר מבין היטב את הסוגיות הכרוכות בהקמת מעבדה באזור נידח, ויש למנותו למנהל שלה. גרובס אישית ויתר על דרישות הביטחון, הוציא לאופנהיימר אישור ביטחוני ב-20 ביולי 1943, ומינה אותו למנהל מעבדת לוס אלמוס.

שיקגו

ב-25 ביוני 1942 החליט הצבא להקים מפעל ניסוי לייצור פלוטוניום מדרום-מערב לשיקגו. עד מהרה התברר כי היקף הפעולות גדול מדי, והוחלט להשאיר בשיקגו רק מתקן מחקר ובדיקה, ולבנות את מפעל הניסוי כולו באוק רידג'.
קומפטון אישר למעבדה המטלורגית  שבאוניברסיטת שיקגו לבנות כור גרעיני ניסיוני ראשון, שכונה בהמשך "שיקגו פייל-1" . לכור נדרשה כמות עצומה של לבני גרפיט וגושי אורניום. באותה עת היה מחסור באורניום טהור. פרנק ספדינג  מאוניברסיטת איווה הצליח לייצר 1.8 טון אורניום טהור. 2.7 טון אורניום נוספים, שהופקו בדחיפות ובתהליך מאולתר, סופקו על ידי חברת וסטינגהאוז. בלון מרובע גדול נבנה על ידי חברת גודייר כדי לכסות את הכור. ב-2 בדצמבר 1942 יצר צוות בראשות אנריקו פרמי את תגובת השרשרת הגרעינית הראשונה אי-פעם שנוצרה בידי אדם. הנקודה שבה הראקציה בכור מתחילה לקיים את עצמה (לייצר את שרשרת התגובות באופן עצמי), מכוּנה: 'הכור הופך קריטי' או 'נכנס לשלב קריטי'. קומפטון דיווח על הצלחתו לקונאנט בוושינגטון בשיחת טלפון (שסוכם מראש איזה משפט בה יבשר על הצלחה), שבה אמר את המשפט המפורסם: "הנווט האיטלקי נחת זה עתה בעולם החדש" ('הנווט האיטלקי' מרמז על פרמי).
הכור באתר ארגון, 'שיקגו פייל-3' , הראשון שהשתמש במים כבדים, הפך קריטי ב-15 במאי 1944. אחרי המלחמה עברו כל הפעילויות לאתר חדש, המעבדה הלאומית ארגון , שבפרווריה הדרומיים של שיקגו.

אתרים לייצור מים כבדים

אף שהתכנון המועדף על דופונט לכורים גרעיניים היה קירור בהליום ושימוש בגרפיט כחומר ממתן, היא עדיין הביעה עניין בשימוש במים כבדים כגיבוי, במקרה שתכנון כור הגרפיט יסתבר כלא ישים מסיבה כלשהי. לצורך זה, ההערכה הייתה שיידרשו 2.7 טון של מים כבדים לחודש. פרויקט P-9  היה שם הקוד הממשלתי לתוכנית ייצור המים הכבדים. גרובס אישר לדופונט להקים מתקני מים כבדים באתר ליד העיר מורגנטאון שבמערב וירג'יניה, במפעל התחמושת שעל נהר ואבאש ליד ניופורט שבאינדיאנה, ובמפעל תחמושת ליד צ'ילדרסבורג וסילקוגה שבאלבמה. מים כבדים הופקו במפעלים אלו על ידי זיקוק, תוך ניצול נקודת הרתיחה הגבוהה מעט יותר של המים הכבדים.

שיתוף הפעולה עם בריטניה

ב-1941 החליפו הבריטים והאמריקאים מידע גרעיני אך לא שילבו מאמצי מחקר ופיתוח. בריטניה דחתה את ניסיונותיהם של בוש וקונאנט, שביקשו לחזק את שיתוף הפעולה עם הפרויקט הבריטי, שנקרא בשם הקוד "סגסוגות צינור" (Tube Alloys), משום שלא רצתה שארצות הברית תפתח לפניה פצצת אטום משלה. מכתב אישי מרוזוולט שהעביר מדען אמריקאי לצ'רצ'יל, ובו הציע רוזוולט לשלם על כל המחקר והפיתוח בפרויקט אנגלו-אמריקני, טופל ברשלנות, וצ'רצ'יל כלל לא השיב עליו. ארצות הברית החליטה לפיכך, באפריל 1942, להמשיך לבד. לבריטים לא היו המשאבים הדרושים לביצוע תוכנית מחקרית בהיקף כזה תוך כדי הלחימה על הישרדותם. כתוצאה מכך, הידלדל הפרויקט הבריטי, ונסוג לאחור יחסית להתקדמות מקבילו האמריקאי. חרף זאת, הגיעו צ'רצ'יל ורוזוולט ביולי 1942 להסכם פורמלי אך לא כתוב לשיתוף פעולה אטומי.
בינואר 1943 הודיע קונאנט לבריטים כי לא יקבלו עוד מידע אטומי אלא רק בשטחי מחקר מסוימים, והבריטים היו מזועזעים מביטול הסכם צ'רצ'יל-רוזוולט. קונאנט ובוש הסבירו לבריטים שהפקודה "הגיעה מלמעלה". המדענים האמריקאים החליטו כי ארצות הברית אינה זקוקה עוד לעזרה מבחוץ, ורצו למנוע מבריטניה לנצל את היישומים המסחריים של האנרגיה האטומית לאחר המלחמה. רוזוולט הסכים להגבלת העברת המידע לבריטניה, גם אם הדבר יאט את הפרויקט האמריקני. בתחילת 1943 הפסיקו הבריטים לשלוח מדעני מחקר לאמריקה, וכתוצאה מכך עצרו האמריקאים לחלוטין כל שיתוף של מידע עם הבריטים. הבריטים ניסו לגרום להפסקת אספקת האורניום מקנדה ולהפסקת אספקת המים הכבדים, כדי לאלץ את האמריקנים לשתף אותם שוב, אך לא הצליחו בכך כיוון שקנדה נזקקה לאספקה אמריקנית. הבריטים גם בדקו שוב את האפשרות לתוכנית גרעין עצמאית, אך הגיעו למסקנה שגם אם התוכנית תתקדם, הם לא יוכלו לבנות פצצה בזמן כך שתוכל להשפיע על תוצאות המלחמה באירופה.
במרץ 1943 החליט קונאנט, כי עזרה בריטית יכולה להועיל בכמה שטחים בפרויקט. ג'יימס צ'דוויק וכשני מדענים בריטיים נוספים היו חשובים דיים למחקר בפרויקט, וצוות תכנון הפצצות בלוס אלמוס נזקק להם, למרות הסיכון בחשיפת סודות תכנון הפצצה. באוגוסט 1943 ניהלו צ'רצ'יל ורוזוולט משא ומתן על הסכם קוויבק , שהביא לחידוש שיתוף הפעולה בין מדענים שחוקרים נושאים דומים. בריטניה הסכימה להגבלות על נתונים הדרושים לבניית מפעלי ייצור גדולים, הנדרשים לייצור פצצות גרעיניות. הסכם הייד פארק שסוכם בספטמבר 1944, הרחיב את שיתוף הפעולה לתקופה שלאחר המלחמה. בהתאם להסכם קוויבק, הוקמה ועדת מדיניות משולבת לתיאום המאמצים של ארצות הברית, בריטניה וקנדה. החברים האמריקנים בוועדת המדיניות המשולבת היו סטימסון, בוש וקונאנט, החברים הבריטיים היו תחילה פילדמרשל ג'ון דיל וקולונל ג'ון לוולין , והקנדי סי. די. האו . אך לבסוף כלל ההרכב הבריטי את לורד הליפקס ואת פילדמרשל הנרי מייטלנד וילסון.
כאשר התחדש שיתוף הפעולה לאחר הסכם קוויבק, הדהימו את הבריטים ההתקדמות המחקרית האמריקנית וההשקעה הכספית הגבוהה שלהם בפרויקט. ב-1943 כבר הוציאה ארצות הברית יותר ממיליארד דולר (היום כ-11.8 מיליארד דולר), בעוד שעד אותה שנה הוציאה בריטניה רק כ-0.5 מיליון ליש"ט. צ'דוויק לחץ, לפיכך, למעורבות בריטית גדולה ככל האפשר בפרויקט מנהטן הקיים, ולנטוש כליל כל תקווה שהיא לפרויקט גרעין בריטי עצמאי במהלך המלחמה. צ'דוויק הבטיח, בתמיכת צ'רצ'יל, שכל בקשת עזרה מגרובס תיענה. המשלחת הבריטית שהגיעה לארצות הברית בדצמבר 1943 כללה את נילס בוהר, אוטו פריש, קלאוס פוקס, רודולף פיירלס וארנסט טיטרטון . מדענים בריטיים נוספים הגיעו בתחילת 1944. המדענים שעבדו במחקר על דיפוזיה גזית עזבו עד סתיו 1944. השאר נשארו עד תום המלחמה, וכללו 35 מדענים שעבדו עם לורנס בברקלי, ו-19 שנשלחו ללוס אלמוס והצטרפו לקבוצות קיימות שעסקו במחקר והרכבה של פצצת מנגנון קריסה, אך לא בפצצות פלוטוניום. חלק מהסכם קוויבק קבע כי נשק גרעיני לא יופעל נגד מדינה כלשהי ללא הסכמה הדדית. ביוני 1945 הסכים וילסון שהשימוש בנשק גרעיני נגד יפן יירשם כהחלטה של ועדת המדיניות המשולבת.
ועדת המדיניות המשולבת יצרה את הקרן לפיתוח משולב ביוני 1944, עם גרובס כיושב ראש, כדי להשיג עפרות אורניום ותוריום בשווקים הבינלאומיים. בריטניה גם סייעה בהעברת רוב עפרות האורניום מקונגו הבלגית, בין השאר מכיוון שהממשלה הבלגית הגולה ישבה בלונדון. בשנת 1944 רכשה הקרן 1,560 טון של עפרות תחמוצת אורניום מחברות שהפעילו מוקשים בקונגו הבלגית.
גרובס העריך את התרומה הבריטית הראשונית שניתנה בתחילת הדרך למחקר האטומי, ואת תרומתם של מדענים בריטיים לפרויקט מנהטן, אך ציין כי ארצות הברית הייתה מצליחה גם בלעדיהם. הוא גם אמר שצ'רצ'יל היה "החבר הטוב ביותר שהיה לפרויקט הפצצה האטומית [בכך] ששמר על התעניינות גבוהה של רוזוולט בפצצה... הוא עורר אותו כל הזמן בכך שסיפר לו עד כמה הוא חושב שהפרויקט חשוב".
ההשתתפות הבריטית בפרויקט במהלך המלחמה הייתה גם חיונית להצלחתה של תוכנית הפיתוח הבריטית העצמאית  של נשק גרעיני לאחר המלחמה, כשחוק מקמהון  מ-1946 סיים באופן זמני את שיתוף הפעולה הגרעיני עם ארצות הברית.

עפרות אורניום

חומר הגלם העיקרי של הפרויקט היה אורניום, ששימש כדלק לכורים, כחומר מוצא למעבר לפלוטוניום, ובצורתו המועשרת - כחומר הבקיע בפצצה האטומית עצמה. היו ארבעה מרבצים ידועים של אורניום ב-1940: במדינת קולורדו שבארצות הברית, בצפון קנדה, בצ'כוסלובקיה ובקונגו הבלגית. כולם, פרט למרבץ בצ'כוסלובקיה, היו בשליטת בעלות הברית, ומהם ניתן היה להפיק כמויות מספיקות של אורניום לצורכי הפרויקט. 1,100 טון של עפרות אורניום נרכשו מקונגו הבלגית, ואוחסנו במחסנים בסטטן איילנד.
רכישות אלה הבטיחו אספקה מספקת כדי לענות על צורכי המלחמה, אך ארצות הברית ובריטניה הגיעו למסקנה כי חשוב שישלטו על כמה שיותר מרבצי אורניום שקיימים בעולם. המקור העשיר ביותר של עפרות אורניום היה בשינקולובווה  באזור קטנגה שבקונגו הבלגית, אך מכרה זה היה מוצף במים וסגור. קנת ניקולס, "מהנדס המחוז" של פרויקט מנהטן, ניהל משא ומתן עם אדגר סנגייר , מנהל החברה הבלגית בעלת המכרה, על פתיחתו מחדש ועל מכירת כל התפוקה העתידית שלו לארצות הברית. כ-30% ממניות החברה הבלגית נשלטו על ידי אינטרסים בריטיים, ולפיכך הובילו הבריטים את המשא ומתן. סר ג'ון אנדרסון והשגריר האמריקאי בבריטניה ג'ון ויננט גיבשו במאי 1944 הסכם עם סנגייר ועם ממשלת בלגיה על פתיחתו מחדש של המכרה ועל רכישת 1,560 טונות של עפרות אורניום ב-3.20 דולר לקילוגרם.
בנוסף, וכדי למנוע תלות בבריטים ובקנדים בהספקת עפרות, טיפל גרובס גם ברכישת מניות תאגיד ונדיום מיורוואן  שבקולורדו. מכרה האורניום בקולורדו  הניב לפרויקט כ-730 טון עפרות.
המפעל הכימי מלינקרוט מסנט לואיס לקח את עפרות האורניום הגולמיות והמיס אותן בחומצה חנקתית כדי לייצר חנקת אורניום . אתר הוסף בתהליך הפרדת נוזל-נוזל  כדי לנקות זיהומים מחנקת האורניום. היא חוממה והתקבל אורניום טריאוקסיד  שממנו התקבלה תחמוצת אורניום  טהורה למדי. ביולי 1942 ייצרה מלינקרודט טון של תחמוצת אורניום טהורה מאוד ביום, אך הפיכתה של התחמוצת למתכת אורניום התבררה כקשה לביצוע. חברות כווסטינגהאוז ואחרות ניסו לייצר אורניום מתחמוצת האורניום, אך הייצור היה איטי מדי ואיכות האורניום שיוצר הייתה נמוכה מדי. לצורך מחקר ומציאת חלופות טובות לייצור אורניום נקי, הוקם סניף מיוחד של המעבדה המטלורגית באוניברסיטת איווה באיימס שבאיווה, בראשות פרנק ספדינג . המחקר נקרא פרויקט איימס , ותהליך איימס  שגילתה היה זמין ב-1943.

הפרדת איזוטופים

אורניום טבעי מורכב מהאיזוטופ אורניום-238 בתכולה של 99.3%, ומהאיזוטופ אורניום-235, שרק הוא החומר הבקיע, בתכולה של 0.7%. תהליך העשרת האורניום הוא בעיקרו הפרדה פיזית של אורניום-235 מתוך האיזוטופ אורניום-238, וקבלת אורניום עשיר מספיק באורניום-235. נבחנו מספר שיטות להעשרת אורניום, רובן פותחו ובוצעו באתר הפרויקט באוק רידג' שבמדינת טנסי.
הטכנולוגיה המועדפת הייתה בתחילה הפרדה באמצעות צנטריפוגות, אך זו נזנחה משהתברר שהיא לא ישימה. הטכנולוגיות האחרות, שכללו: הפרדה אלקטרומגנטית, דיפוזיה גזית ודיפוזיה תרמית, התבררו כמוצלחות, ובהן השתמשו בפרויקט. פותחו גם שיטות משולבות מוצלחות, שבהן פלט של טכנולוגיה אחת שימש כקלט להמשך תהליך ההפרדה באמצעות טכנולוגיה אחרת.

צנטריפוגות

באפריל 1942 נחשבה ההפרדה באמצעות צנטריפוגות לשיטה המבטיחה היחידה, לאחר שכבר בשנות ה-30 היא נוסתה על ידי ג'סי בימס בתנאי מעבדה באוניברסיטת וירג'יניה. לאחר מחקר מתמטי-פיזיקלי התברר שבתנאי ייצור, הפקה של קילוגרם אחד של אורניום-235 ליום תדרוש 10,000 צנטריפוגות, שבכל אחת מהן רוטור שאורך זרועו ארבעה מטר. בדגמי ייצור שנבנו התברר שגם עם רוטור בגודל כזה, התפוקה שהושגה הייתה רק 60% מהמצופה. בנוסף, המהירות הגבוהה שנדרשה בסיבוב הצנטריפוגות הביאה לכשלים רבים ותכופים מדי במנועיהן ובמוטותיהן. כתוצאה מכך המליצו קונאנט וניקולס לוועדה הצבאית המפקחת להפסיק להשקיע בשיטה זו, ובנובמבר 1942 היא הופסקה ונזנחה.

דיפוזיה גזית

השיטה המבטיחה ביותר להפרדת איזוטופים, אך גם המאתגרת ביותר, הייתה דיפוזיה גזית. חוק גרהם קובע כי שיעור 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 מהר יותר מהמולקולות הכבדות. הגז היוצא מהמכל יהיה עשיר מעט יותר במולקולות הקלות. הרעיון היה 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. המחקר על תהליך זה בוצע באוניברסיטת קולומביה על ידי קבוצה שכללה את הרולד יורי, קארל כהן  וג'ון דאנינג .
בנובמבר 1942 אישרה ועדת המדיניות הצבאית את הקמתו של מפעל דיפוזיה גזית בעל 600 שלבים. שם הקוד של המפעל היה K-25. במימוש התהליך הייתה התמודדות עם קשיים טכניים גדולים. תחילה היה צורך להמיר את עפרת האורניום המוצקה לגז כדי שיוכל לעבור דיפוזיה, וזאת נעשה על ידי הגבתו עם גז פלואור וקבלת אורניום שש פלואורי. האורניום שש פלואורי שנוצר הוא חומר שגורם לקורוזיה חזקה. המנועים והמשאבות היו צריכים להיות מהודקים בתוך ואקום ומוקפים בגז אינרטי. הבעיה הגדולה ביותר הייתה תכנון המחיצה (הממברנה), שהייתה צריכה להיות חזקה, מחוררת, ועמידה בפני הקורוזיה החזקה של גז האורניום. החומר שנבחר לבניית המחיצה היה המתכת ניקל. אדוארד אדלר ואדוארד נוריס יצרו מחיצת רשת מניקל, ובנו מתקן ניסוי בן שישה שלבים באוניברסיטת קולומביה, אך אב-טיפוס זה התברר כעדין ושברירי מדי. מחיצה חלופית פותחה מאבקת ניקל על ידי חברת קלקס (שהוקמה לצורך הפרויקט), מעבדות בל, ותאגיד הבקליט. בינואר 1944 הכריע גרובס בעד המחיצה שפיתחה חברת קלקס, והיא נכנסה לייצור.
חברת קלקס גם בנתה את מפעל הדיפוזיה הגזית כולו על-פי הסכם בנייה בהיקף של 2.5 מיליון דולר. היא תכננה מבנה בן 4 קומות, באורך של 800 מטר ובצורת U, שהורכב מ-54 בניינים צמודים, שחולקו לתשעה קטעים. בתוך כל קטע היו שישה תאי העשרה. ניתן היה להפעיל כל תא באופן עצמאי. בדומה, ניתן היה להפעיל באופן עצמאי גם קטע שלם ברצף, כשהתאים פועלים בזה אחר זה כמערך משורשר: פלט של תא אחד משמש כקלט לתא הבא, וכך הלאה. הבנייה החלה במאי 1943 עם איתור שטח של 2,000 דונם. בניית הבניין הראשי החלה באוקטובר 1943, ופיילוט של קטע בן שישה תאים היה מוכן לפעולה ב-17 באפריל 1944. מפעל ההעשרה פעל באופן רצוף במקביל להמשך בניית עוד ועוד בניינים ותאי העשרה, כשהמטרה הייתה, כפי שגרובס הגדיר לחברת קלקס, להגיע ל-540 תאים. הבנייה הושלמה רק אחרי המלחמה, ב-11 בספטמבר 1945. עלות הבנייה הכוללת הגיעה ל-480 מיליון דולר.
מפעל הייצור K-25 החל לפעול בפברואר 1945, וככל שרבו הקטעים בני ששת התאים המשורשרים, כך עלתה איכות האורניום המועשר. באפריל 1945 החל בו השימוש באורניום המועשר ממפעל הדיפוזיה התרמית S-50, כחומר מוצא (קלט) להעשרה. מפעל K-25 של הדיפוזיה הגזית, ובהמשך המפעל המשופר K-27, הגיעו למלוא פוטנציאל התפוקה שלהם בתחילת התקופה שלאחר מלחמת העולם השנייה. באותה עת הם הפכו לאב-טיפוס לדור החדש של מפעלי העשרת אורניום.

דיפוזיה תרמית

תהליך הדיפוזיה התרמית התבסס על התאוריה של סידני צ'פמן ודייוויד אנסקוג (Chapman–Enskog theory), 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 אבלסון , 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, שהוקף בבטון בצפיפות גבוהה ובעובי של 2.1 מטר להגנה בפני קרינה.
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

בינתיים החלו הכימאים לחשוב על בעיית הפרדת הפלוטוניום מהאורניום, כשהתכונות הכימיות של הפלוטוניום כלל לא היו ידועות, וכשרק כמויות זעירות של פלוטוניום (רק גרמים ספורים) היו זמינות ב-1942. בשנה זו ובתנאים קשים אלו, פיתח צוות בראשות צ'ארלס קופר מהמעבדה המטלורגית שבאוניברסיטת שיקגו, תהליך שבו אלקטרודה סלקטיבית של לנתן פלואורידי (LaF₃) משמשת להפרדת פלוטוניום מאורניום, והקים מפעל הרצה קטן לייצור פלוטוניום בתהליך זה. תהליך ההפרדה השני, תהליך הפוספט ביסמוט, פותח לאחר מכן על ידי סיבורג וסטנלי תומסון. בתהליך זה הועבר הפלוטוניום בין שתי דרגות חמצון, 4+ ו־6+, בתמיסות של פוספט ביסמוט. בדרגת החמצון האחת הפלוטוניום שקע, ובשנייה הוא נותר בתמיסה וחומרים אחרים שקעו.
גרינוולט מחברת דופונט העדיף את תהליך הפוספט ביסמוט בשל האופי הקורוזיבי של לנתן פלואורידי, והוא נבחר למפעלי ההפרדה של הנפורד. כשמפעל X-10 באוק רידג' התחיל לייצר פלוטוניום, הפך מפעל ההרצה במעבדה המטלורגית למתקן ניסוי ומחקר. הייצור הראשון של פלוטוניום התבצע ביעילות של 40%, אך תוך מספר חודשים עלתה היעילות ל-90%.
בהנפורד ניתנה תחילה עדיפות עליונה למתקנים בשטח 300. זה כלל מבנים לבדיקת חומרים, להכנת אורניום, ולהרכבה ולכיול מכשירים. באחד המבנים שוכן ציוד לציפוי גושי אורניום, והאחר הכיל כור בדיקה קטן. למרות העדיפות הגבוהה שהוקצתה לו, העבודה על שטח 300 לא עמדה בלוח זמנים, בשל האופי הייחודי והמורכב של מתקניו ובשל מחסור בכוח אדם ובחומרים בעת מלחמה.
על פי תוכניות מוקדמות תוכננו להיבנות ארבעה מפעלי הפרדה, שניים בכל אחד מהשטחים הידועים כשטח 200-מערב ושטח 200-מזרח. בפועל נבנו שלושה מפעלים בסך הכול, שני מפעלי הפרדה T ו-U בשטח 200-מערב, ומפעל הפרדה B (יחיד) בשטח 200-מזרח. כל מפעל הפרדה כלל ארבעה בניינים: בניין תאי התהליך או "קניון" (שנקרא 221), בניין ריכוז (224), בניין טיהור (231) וחנות עיתונים (213). המבנה העיקרי במפעל ההפרדה, הקניון, היה באורך של 240 מטר וברוחב של 20 מטר, וכלל 40 תאים בגודל 5.4 × 4.0 × 6.1 מטר כל אחד.
העבודה החלה ב־221-T וב־221-U, והתבצעה מינואר עד דצמבר 1944. בניין 221-B הושלם במרץ 1945. בשל רמת הרדיואקטיביות הגבוהה, כל העבודה במפעלי ההפרדה התבצעה באמצעות שלט רחוק תוך שימוש בטלוויזיה במעגל סגור, טכנולוגיה שהייתה חדשנית לחלוטין בשנת 1943. התחזוקה בוצעה בסיוע של עגורני גשר וכלי עבודה שתוכננו במיוחד למשימתם. מבני 224 היו קטנים יותר ופחות רדיואקטיביים, ולכן פשוטים יותר לבנייה. מבנים 224-T ו־224-U הושלמו ב-8 באוקטובר 1944, ו-224-B ב-10 בפברואר 1945. שיטות הטיהור ששימשו בסופו של דבר ב־231-W עדיין לא היו ידועות בתחילת בנייתו ב-8 באפריל 1944, אך המפעל הושלם והשיטות נבחרו עד סוף השנה. ב-5 בפברואר 1945 מסר מתיאס אישית בלוס אנג'לס את המשלוח הראשון של 80 גרם של פלוטוניום חנקתי ברמת ניקיון של 95% לשליח מיוחד שהעבירם ללוס אלמוס.

תכנון הפצצה

ב-1943 הופנו מאמצי הפיתוח לפצצת ביקוע מסוג מנגנון ירי עם פלוטוניום, שכונתה "איש רזה" (Thin Man). המחקר הראשוני של תכונות הפלוטוניום נעשה על פלוטוניום-239 שיוצר בציקלוטרון. הפלוטוניום שנוצר היה טהור למדי, אך ניתן היה לייצר ממנו רק כמויות מזעריות. מעבדות לוס אלמוס קיבלו את הפלוטוניום מכור הגרפיט X-10  שבאוק רידג' באפריל 1944, אך תוך כמה ימים גילה אמיליו סגרה בעיה: לפלוטוניום שנוצר בכור היה ריכוז גבוה של פלוטוניום-240, שגרם לקצב גבוה עד פי חמישה של ביקועים ספונטניים יחסית לפלוטוניום הטהור שנוצר בציקלוטרון. סיבורג צפה מראש כבר במרץ 1943 שחלק מהפלוטוניום-239 יספוג נייטרון ויהפוך לפלוטוניום-240.
הדבר הפך את הפלוטוניום מהכור לבלתי מתאים לפצצת מנגנון ירי. הפלוטוניום-240 יתחיל בה תגובת שרשרת מהר מדי, ויגרום לפיצוץ מוקדם שישחרר כמות כזאת של אנרגיה שהמסה הקריטית תתפזר, ורק כמות קטנה מדי של פלוטוניום תגיב (מצב של כישלון הפיצוץ הגרעיני). הוצע ירי מהיר יותר, אך זה נמצא לא מעשי. נשקלה גם האפשרות להפריד את האיזוטופים, אך גם היא נדחתה, מכיוון שהפרדה של פלוטוניום-240 מפלוטוניום-239 קשה אף יותר בהשוואה להפרדת אורניום-235 מאורניום-238.
עבודה על שיטה חלופית של תכנון הפצצה, הידועה כפצצה מסוג מנגנון קריסה, החלה עוד קודם בהנחייתו של הפיזיקאי סת נדרמאייר . המנגנון מבוסס על ליבת מסה תת-קריטית של פלוטוניום, שעטופה בשכבת חומר נפץ. חומר הנפץ שמסביב לליבה מוצת בו-זמנית, ויוצר בכך לחץ סימטרי עצום על ליבת הפלוטוניום. ליבת הפלוטוניום נדחסת, צפיפותה גדלה, ונוצרת מסה קריטית במהירות גדולה יותר (בהשוואה לשיטת מנגנון הירי), המאפשרת את תגובת השרשרת של הביקוע הגרעיני. חקירותיו של נדרמאייר מ-1943 ותחילת 1944 על מנגנון הקריסה נראו מבטיחות, אך גם הבהירו שהבעיה תהיה הרבה יותר קשה מבחינה תאורטית והנדסית מאשר בתכנון מנגנון הירי. בספטמבר 1943, ג'ון פון נוימן, שהיה לו ניסיון עם מטענים חלולים של פגזים חודרי שריון, טען כי מנגנון קריסה לא רק יפחית את הסכנה של פיצוץ מוקדם מדי ולפיכך של כישלון הפיצוץ, אלא אף ישתמש באופן יעיל יותר בחומר הביקוע. הוא הציע להשתמש בתצורה כדורית ולא בתצורה הגלילית שעליה עבד נדרמאייר.
ביולי 1944 הגיע אופנהיימר למסקנה שלא ניתן להשתמש בפלוטוניום בפצצת מנגנון ירי, ובחר בפצצת מנגנון קריסה. המאמץ המואץ על תכנון פצצת קריסה, בשם קוד "איש שמן", החל באוגוסט 1944, ואופנהיימר ביצע ארגון מחדש מקיף של מעבדת לוס אלמוס כדי להתמקד בפצצת קריסה. שתי קבוצות חדשות הוקמו בלוס אלמוס כדי לפתח את פצצת הקריסה. חטיבה X (עבור eXplosives, חומרי נפץ) בראשות מומחה חומרי נפץ ג'ורג' קיסטיאקובסקי , וחטיבה G (עבור גאדג'ט) בראשות רוברט באכר. בתכנון החדש של פון נוימן וחטיבה T (עבור תאורטי), ובה בעיקר רודולף פיירלס, הומצאו עדשות נפץ , המשמשות למיקוד התפוצצות חומרי הנפץ על מטרה כדורית, תוך שילוב קפדני וסלקטיבי של חומרי נפץ איטיים ומהירים.
תכנון העדשות כך שיתפוצצו בצורה ובמהירות הנכונות, התברר כמאמץ תכנוני קשה ומתסכל. נבדקו חומרי נפץ שונים, ולבסוף הוחלט להשתמש ב'הרכב B' (composition B) כחומר הנפץ המהיר, וב'ברטול' (Baratol) כחומר הנפץ האיטי. התכנון הסופי דמה לכדור כדורגל עם 20 עדשות בצורת משושה ו-12 בצורת מחומש, כשכל עדשה שוקלת כ-36 ק"ג. השגת פיצוץ מדויק חייבה שימוש בנפצים חשמליים מהירים, אמינים ובטוחים, ולהגדלת האמינות הותקנו שני נפצים בכל עדשה. הוחלט, לפיכך, להשתמש בנפצים מחווטים נפיצים (Exploding-bridgewire detonator), המצאה חדשה שפותחה בלוס אלמוס על ידי קבוצה בראשות לואיס אלוורז. חוזה לייצורם ניתן לחברת ריית'און.
כדי לחקור את ההתנהגות של גלי ההלם המתכנסים, המציא רוברט סרבר  את ניסוי ראלה (RaLa Experiment), שהשתמש באיזוטופ הרדיואקטיבי קצר-הזמן, לנתן-140, שהוא מקור חזק של קרינת גמא. איזוטופ הלנתן הוכנס למרכז כדור מתכת מוקף בעדשות נפץ, והכדור הוצב בתוך תא יינון. זה איפשר צילום בקרני רנטגן של סרטון המראה את תהליך הקריסה. העדשות תוכננו בעיקר באמצעות המידע שסיפקה סדרת ניסויים זו. בספר שהוציא על תולדותיו של פרויקט לוס אלמוס, כתב דייוויד הוקינס : "ראלה (RaLa) הפך לניסוי היחיד החשוב ביותר שהשפיע על התכנון הסופי של הפצצה".
לתוך חומרי הנפץ הוכנס גוש אלומיניום בעובי 110 מ"מ, שאיפשר מעבר מהיר וחלק מחומר הנפץ שהיה בצפיפות נמוכה יחסית לשכבה הבאה, שבה היה אורניום טבעי דחוס בעובי של 76 מ"מ. תפקידו העיקרי היה להחזיק את המסה הקריטית יחד זמן רב ככל האפשר, אך הוא גם החזיר נייטרונים חזרה לליבה (פעל כרפלקטור של נייטרונים). חלק ממנו היה עשוי להתבקע גם כן. כדי למנוע פיצוץ מוקדם על ידי נייטרון חיצוני, צופה האורניום הדחוס בשכבה דקה של המטלואיד בור. פולט נייטרונים  העשוי מסגסוגת של פולוניום-בריליום, שכונה "קיפוד" בשל צורתו הדומה לקיפוד ים, פותח כדי להתחיל את תגובת השרשרת בדיוק ברגע הנכון. עבודה זו, שכללה מחקר כימי ומטלורגי של היסוד הרדיואקטיבי פולוניום, נוהלה על ידי צ'ארלס אלן תומאס  מחברת מונסנטו, ונקראה בהמשך פרויקט דייטון , על שם העיר דייטון שבה התבצעה. במחקר נדרשו בדיקות רדיואקטיביות של פלוטוניום של עד 500 קירי לחודש, שמונסטו יכלה לבצע. כל המרכיבים הוכנסו למארז פצצה שעשוי מסגסוגת אלומיניום, כדי להגן עליהם מפני קליעים ואש.
המשימה העיקרית של חוקרי המטלורגיה הייתה לקבוע כיצד להטיל פלוטוניום לתוך כדור. הקשיים התבררו ביתר שאת כשהניסיונות למדוד את צפיפות הפלוטוניום נתנו תוצאות לא עקביות. תחילה היה נראה שהגורם לכך הוא זיהום, אך די מהר הסתבר שהסיבה קשורה בריבוי האלוטרופים של פלוטוניום. שלב α השברירי, שקיים בטמפרטורת החדר, משתנה לשלב β הגמיש בטמפרטורות גבוהות יותר. בהמשך עברה תשומת הלב לשלב δ החריף יותר, שבדרך כלל קיים בטווח 300° עד 450° צלזיוס. נמצא שפלוטוניום יציב בטמפרטורת החדר כאשר הוא משולב עם אלומיניום, אלא שאלומיניום פולט נייטרונים כאשר הוא מופגז על ידי חלקיקי אלפא, מצב שיחריף את בעיית הסיכוי לפיצוץ מוקדם. עם התקדמות המחקר גילו המטלורגים שסגסוגת פלוטוניום-גליום מייצבת את שלב δ, ואף ניתן ליצור בה את הצורה הכדורית הרצויה בלחיצה תחת חום. בנוסף, כשהתברר שפלוטוניום עובר קורוזיה בקלות, צופה הכדור בניקל.
העבודה הייתה מסוכנת. עד תום המלחמה נאלצו מחצית מהכימאים ומהמטלורגים הוותיקים להפסיק את עבודתם עם פלוטוניום, כשבבדיקות השתן שלהם נמצאו רמות חריגות גבוהות של יסוד זה.דליקת אש קטנה בלוס אלמוס בינואר 1945, גרמה לחשש שאש במעבדת הפלוטוניום עלולה לזהם את העיר כולה, וגרובס אישר את הקמתו של מתקן חדש למחקר כימי ומטלורגי של פלוטוניום, שנודע כאתר-DP ‏(Delta Prime site).
שני חצאי הכדור לליבת הפלוטוניום הראשונה יוצרו ונמסרו ב-2 ביולי 1945. שלושה חצאי כדור נוספים הגיעו ב-23 ביולי ונמסרו כעבור שלושה ימים.

עובדים

ביוני 1944 העסיק פרויקט מנהטן כ-129,000 עובדים, מהם 84,500 עובדי בנייה, 40,500 עובדי מפעלים ו-1,800 אנשי צבא. עם צמצום פעילות הבנייה, ירד מספר העובדים לכ-100 אלף ב-1945, אך מספר אנשי הצבא גדל ל-5,600. היה קשה מאוד להשיג ולגייס את העובדים הנדרשים, בעיקר עובדים מיומנים במיוחד, שגם תוכניות ופרויקטים חיוניים אחרים של זמן מלחמה התחרו עליהם. ב-1943 קיבל גרובס עדיפות זמנית מיוחדת מוועדת כוח-אדם לצורכי מלחמה. במרץ 1944, הן מועצת הייצור המלחמתי והן ועדת כוח-אדם לצורכי המלחמה העניקו לפרויקט מנהטן את העדיפות הגבוהה ביותר.
טולמן וקונאנט, היועצים המדעיים של הפרויקט, הכינו רשימה של מדענים מועמדים, ומדענים מהפרויקט דירגו אותם. לאחר מכן שלח גרובס מכתב אישי לראש האוניברסיטה או לראש החברה שלהם, וביקש לשחרר אותם לעבודה מלחמתית חיונית. באוניברסיטת ויסקונסין–מדיסון, בחן סטניסלב אולם אישית את אחת מתלמידותיו, ג'ואן הינטון, כדי לבדוק את התאמתה לעבודה כל כך חיונית, וכעבור כמה שבועות קיבל הוא עצמו מכתב מהנס בתה שהזמין אותו להצטרף לפרויקט. קונאנט גם שכנע אישית את קיסטיאקובסקי להצטרף לפרויקט.
מקור חשוב של כוח אדם מיומן היה הצבא עצמו, ובמיוחד תוכנית ההכשרה המקצועית שלו. ב-1943 נוצרה חטיבת הנדסה צבאית מיוחדת (SED), וטכנאים ועובדים מיומנים שהתגייסו לצבא הוקצו אליה. מקור נוסף היו נשים מחיל הנשים, שבתחילה נועדו למשימות פקידות וטיפול בחומר מסווג, אך עד מהרה הוטלו עליהן גם משימות טכניות ומדעיות.
פרופסור עמית לרדיולוגיה בבית הספר לרפואה באוניברסיטת רוצ'סטר, סטאפורד וורן , קיבל דרגת קולונל בחיל הרפואה, ומונה לראש המחלקה הרפואית בפרויקט ויועצו של גרובס לענייני רפואה. משימתו הראשונה הייתה לצוות את בתי החולים באוק רידג', ריצ'לנד ולוס אלמוס. המחלקה הרפואית הייתה אחראית למחקר הרפואי, אך גם לתוכניות בריאות ובטיחות רפואית. היה בזה אתגר עצום, שכן העובדים טיפלו במגוון גדול של כימיקלים רעילים, השתמשו בנוזלים מסוכנים ובגזים בלחץ גבוה, עבדו עם מתח גבוה, וביצעו ניסויים בחומרי נפץ. אתגר מיוחד היו הסכנות שטרם נחקרו כראוי בנושאי רדיואקטיביות ובטיפול בחומרים בקיעים. עם זאת, בדצמבר 1945 העניקה המועצה הלאומית לבטיחות פרס כבוד מיוחד לבטיחות לפרויקט מנהטן, כהכרה ברקורד הבטיחותי שלו. בין ינואר 1943 ליוני 1945 היו בפרויקט 62 הרוגים ו-3,879 פציעות, שהיו כ-62% מתחת לשיעורם בתעשייה הפרטית.

צנזורה

צנזורה מרצון של מידע אטומי החלה עוד לפני תחילת הפרויקט. לאחר פרוץ המלחמה באירופה בשנת 1939, החלו מדענים אמריקנים להימנע מפרסום מחקרים הקשורים לנושאים צבאיים, ובשנת 1940 החלו כתבי עת מדעיים לבקש מהאקדמיה הלאומית למדעים לנקות מאמרים ממידע הקשור לאטום. ויליאם לורנס מה"ניו יורק טיימס" כתב מאמר על ביקוע אטומי ב"סאטרדיי איבנינג פוסט" שפורסם ב-7 בספטמבר 1940, ומאוחר יותר נודע לו שפקידי ממשל ביקשו ב-1943 מספריות בכל רחבי ארצות-הברית להסיר את הגיליון. אך הסובייטים הבחינו בשתיקת האמריקאים בנושא זה. באפריל 1942 כתב הפיזיקאי הגרעיני גאורגי פליורוב לסטלין על היעדרם של מאמרים על ביקוע גרעיני בכתבי עת אמריקניים, דבר שליבה את חשדותיו של סטלין ועורר אותו לפעולה.
פרויקט מנהטן פעל תחת אבטחה הדוקה שמא גילויו יגרור את כוחות הציר, ובמיוחד את גרמניה, להאיץ את פרויקטי הגרעין שלהם או לבצע פעולות חשאיות נגד הפרויקט. בתחילת 1943 החלו העיתונים לפרסם דו"חות על בנייה מסיבית במדינות וושינגטון וטנסי על סמך רישומים ציבוריים, ומשרד הצנזורה הפדרלי החל לדון כיצד לשמור על סודיות הפרויקט. ביוני פנה משרד הצנזורה לעיתונים ולתחנות שידור וביקש שלא לדון ב"ריסוק אטום, אנרגיה אטומית, ביקוע אטומי, פיצול אטומי, או כל מונח דומה להם, וכן בשימוש למטרות צבאיות ברדיום או בחומרים רדיואקטיביים, במים כבדים ובציקלוטרונים". המשרד גם ביקש להימנע מדיון ב"פולוניום, אורניום, איטרביום, הפניום, פרוטקטיניום, רדיום, רניום, תוריום, דאוטריום". למעשה רק אורניום היה נושא רגיש, אך נרשמו גם יסודות אחרים כדי להסתיר את חשיבותו.

מרגלים סובייטים

הסיכוי לחבלה היה קיים תמיד, ולעיתים עלה חשד שכשלים לא מוסברים נבעו מחבלה עוינת. היו כמה בעיות שחשבו שנגרמו מעובדים רשלניים או ממורמרים, אך לא היו מקרים מאומתים של חבלות שבוצעו ביוזמת מדינות הציר. כשאנשים ועובדים כה רבים מעורבים, הביטחון היה משימה קשה. הוקמה יחידה מיוחדת של המודיעין המסכל כדי לטפל בסוגיות הביטחון של הפרויקט. ב-1943 היה ברור כי ברית המועצות מנסה לחדור לפרויקט. בוריס פאש, ראש אגף המודיעין המסכל בפיקוד הצבאי המערבי, חקר חשוד בריגול סובייטי במעבדת הקרינה בברקלי. אופנהיימר הודיע לפאש שפנה אליו פרופסור בברקלי, האלון שבלייה, וסיפר שהועבר מידע מסווג לברית-המועצות.
המרגל הסובייטי המצליח ביותר היה קלאוס פוקס, חבר המשלחת הבריטית שמילאה חלק חשוב בלוס אלמוס. פעולות הריגול שביצע בשנים 1943–1945 בלוס אלמוס, התגלו רק ב-1950, ופגעו בשיתוף הפעולה הגרעיני של ארצות הברית עם בריטניה וקנדה. נחשפו גם מקרי ריגול נוספים, שהובילו למעצרם של הארי גולד , דייוויד גרינגלס , ויוליוס ואתל רוזנברג. מרגלים אחרים, כמו ג'ורג' קובאל ותאודור הול, נותרו לא ידועים במשך עשרות שנים. קשה להעריך ולכמת את התרומה שהביא הריגול לברית המועצות, שכן המגבלה העיקרית על פרויקט הפצצה הגרעינית הסובייטית הייתה המחסור בעפרות אורניום. ההערכה היא שהריגול חסך וקיצר לסובייטים שנה או שנתיים בפרויקט הגרעין.

הכנות

מנובמבר 1943 החל פיקוד מחלקת הציוד של חיל האוויר  בשדה רייט שבאוהיו, להפעיל פרויקט להתאמת מפציצי B-29 לנשיאת פצצות האטום. שם הקוד של הפרויקט היה "סילברפלייט" . במרץ 1944 נפגש גרובס עם מפקד חיל האוויר האמריקני, הגנרל הנרי ארנולד , כדי לדון באספקטים שונים של הטלת הפצצות אל מטרותיהן. המטוס היחיד של בעלות הברית שהיה מסוגל לשאת את פצצת "איש רזה" באורך 5.2 מטרים או את פצצת "איש שמן" ברוחב של 150 ס"מ, היה המפציץ הבריטי הכבד אוורו לנקסטר, אך שימוש במטוס בריטי היה גורם לבעיות לוגיסטיות ולקשיים בתחזוקה. גרובס קיווה שניתן יהיה לשנות את הבואינג האמריקני B-29 סופרפורטרס (Superfortress, מבצר-על) ולצרף את שני תאי הפצצות שלו לתא גדול אחד, כדי שיוכל לשאת את פצצת "איש רזה". ארנולד הבטיח שהעבודה תיעשה, ומינה את גנרל אוליבר אקולס לאיש קשר עם הפרויקט, שמינה את קולונל רוסקו וילסון  כממלא מקומו. וילסון הפך למעשה לקצין הקשר הראשי בין חיל האוויר האמריקני לבין פרויקט מנהטן. הנשיא רוזוולט הורה לגרובס, שאם פצצות האטום יהיו מוכנות עוד לפני תום המלחמה עם גרמניה, עליו להיות מוכן להטיל אותן על גרמניה.
קבוצת הטייסות המעורבת 509  הופעלה ב-17 בדצמבר 1944 בבסיס האוויר ונדובר  שביוטה, בפיקודו של קולונל פול טיבטס. האימונים נעשו בוונדובר ובבסיס חיל האוויר בטיסטה  שבקובה, שבו התאמנה טייסת המפציצים 393  בהטלת פצצות דמה, הדומות במשקלן ובמבנן לפצצת "איש שמן", אחרי טיסה ארוכה מעל האוקיינוס.
יחידה מיוחדת מפרויקט מנהטן, שנקראה "פרויקט אלברטה" , הוקמה בלוס אלמוס כדי לעזור בהכנתן ובהעברתן של הפצצות. קצין חיל הים פרדריק אשוורת'  נפגש בפברואר 1945 בגואם עם מפקד זירת האוקיינוס השקט, האדמירל צ'סטר נימיץ, ועדכן אותו בפרויקט. באותה נסיעה בחר אשוורת' ב'שדה צפון'  שבאי הפאסיפי טיניאן כבסיסה של קבוצה 509. היא נפרסה בו ביולי 1945, ותומאס פארל  הגיע לבסיס ב-30 ביולי כנציג פרויקט מנהטן.
רוב המרכיבים של פצצת "ילד קטן" יצאו מסן פרנסיסקו על הסיירת אינדיאנפוליס ב-16 ביולי, והגיעו לטיניאן ב-26 ביולי 1945. כעבור ארבעה ימים טובעה הספינה על ידי צוללת יפנית. שאר המרכיבים של הפצצה, שכללו שש טבעות אורניום-235, הובאו על ידי שלושה טייסים מקבוצה 509. שתי הרכבות של פצצת "איש שמן" הובאו לטיניאן במטוסי B-29 מותאמים. ליבת פלוטוניום ראשונה הובאה במטוס C-54  מיוחד. הוקמה ועדת משותפת של חיל האוויר ופרויקט מנהטן כדי לקבוע אילו ערים ביפן יופצצו, שהמליצה על קוקורה, הירושימה, ניאיגטה וקיוטו. בנקודה זו התערב מזכיר המלחמה הנרי סטימסון , והודיע שהוא יקבל את ההחלטה לגבי המטרות, ולא יאשר את הפצצת קיוטו בשל חשיבותה ההיסטורית והדתית. לפיכך ביקש גרובס מארנולד להסיר את קיוטו, לא רק מרשימת המטרות הגרעיניות, אלא גם ממטרות ההפצצות הקונבנציונליות. אחת החלופות של קיוטו הייתה נגסאקי.

הטלת הפצצות

במאי 1945 הוקמה ועדת הביניים  כדי להמליץ על אופן השימוש באנרגיה גרעינית בזמן המלחמה ואחריה. הוועדה כללה את סטימסון כיושב ראש, את ג'יימס ביירנס, סנאטור אמריקאי לשעבר שיהיה בקרוב מזכיר המדינה, כנציגו האישי של הנשיא הארי טרומן, ובכירי ממשל נוספים. הוועדה הקימה פאנל מדענים שכלל את קומפטון, פרמי, לורנס ואופנהיימר, כדי לייעץ לה בנושאים מדעיים. בהצגת מסקנותיו, הציע הפאנל המדעי את דעתו הן לגבי ההשפעות הפיזיות של הפצצה האטומית והן לגבי האימפקט הצבאי והפוליטי שלה.
בוועידת פוטסדאם, שהתקיימה בגרמניה בין 17 ביולי ל-2 באוגוסט 1945, נודע לטרומן כי ניסוי טריניטי הצליח. הוא אמר לסטלין, מנהיג ברית-המועצות, כי לארצות הברית יש אמצעי-על צבאי חדש, בלי למסור פרטים. הייתה זו ההודעה הרשמית הראשונה שהאמריקאים העבירו לסובייטים על הפצצה, אך סטלין כבר ידע עליה ממרגליו. מכיוון שההרשאה להשתמש בפצצה נגד יפן כבר ניתנה, ולאחר שיפן דחתה את הצהרת פוטסדאם, לא נשקלו כלל חלופות אחרות להמשך המערכה נגדם.
ב-6 באוגוסט 1945, המריא משדה צפון שבאי טיניאן מטוס B-29 (שכונה אנולה גיי) מטייסת ההפצצה 393, שהטיס טיבטס, ופצצת האורניום "ילד קטן" בתא ההפצצה שלו. הירושימה הייתה יעד המשימה, כשקוקורה ונגסאקי היו חלופות. באישורו של תומאס פארל השלים פרסונס, איש הצוות האחראי על פצצת האטום, את הרכבת הפצצה באוויר כדי למזער את הסיכונים בזמן ההמראה. הפצצה הוטלה והתפוצצה בגובה של 530 מטר בעוצמת פיצוץ שנאמדה מאוחר יותר כשוות-ערך ל-13 קילוטון TNT. שטח של כ-12 קילומטרים רבועים נהרס. פקידי ממשל יפניים קבעו כי 69% ממבני הירושימה נהרסו כליל ועוד 6-7% ניזוקו. כ-70,000 עד 80,000 איש, שהם כ-30% מאוכלוסיית הירושימה, נהרגו מיד, ועוד כ-70,000 נפצעו.
בבוקר 9 באוגוסט 1945, המריא B-29 שני (שכונה Bockscar , בוקסקאר), שהטיס מייג'ור צ'ארלס סוויני  מטייסת 393, עם פצצת הפלוטוניום "איש שמן". אשוורת' היה איש הצוות האחראי על הפצצה, וקוקורה הייתה היעד. סוויני המריא כשהפצצה מוכנה וחמושה, אך כשמתגי הבטיחות החשמליים פועלים במצב חסימה. כשהגיעו לקוקורה הם מצאו עננים שמכסים את העיר ומונעים ראות טובה, המחויבת על פי הפקודות. אחרי שלושה יעפים מעל העיר, וצמצום כמות הדלק, הם פנו למטרה החליפית שנקבעה, נגסאקי. אשוורת' החליט שהפעם ישתמשו במכ"ם אם הראות למטרה תיחסם, אך פתח בעננים מעל נגסאקי ברגע האחרון איפשר ראות טובה על פי הפקודות. "איש שמן" הוטלה מעל העמק התעשייתי באמצע המרחק בין מפעל הפלדה של מיצובישי בדרום לבין מפעל התחמושת מיצובישי-אורקמי בצפון. עוצמת הפיצוץ הייתה שוות-ערך ל-21 קילוטון TNT, דומה לזו של ניסוי טריניטי, אך הפיצוץ הוגבל לעמק אורקמי, ועל חלק גדול מהעיר הגנו הגבעות החוצצות. בפיצוץ נהרסו כליל כ-44% ממבני העיר, נגרם נזק קשה לאזור התעשייה ולכושר הייצור שלה, נהרגו בו בין 35,000–40,000 אנשים, רובם עובדי תעשייה, וכ-60,000 נפצעו.
מעבר להרוגים הישירים מהפצצות האטומיות, רבים אחרים מתו בשנים שלאחר ההפצצה עקב הרעלת קרינה.

פצצות אטום נוספות ותחילת המחלוקת על הפצצת יפן

הוכנו שתי הרכבות נוספות של פצצות מסוג "איש שמן", שהיו אמורות להישלח מ'שדה קירטלנד' לטיניאן ב-11 וב-14 באוגוסט 1945. גרובס ציפה שתהיה פצצת אטום שלישית מוכנה לשימוש ב-19 באוגוסט, עוד שלוש בספטמבר, ועוד שלוש באוקטובר. טכנאים עבדו בלוס אלמוס 24 שעות ברציפות כדי לצקת ליבת פלוטוניום שלישית , אך עדיין היה צריך לעבדה ולצפותה עד 16 באוגוסט, ולהכינה לשימוש עד 19 באוגוסט. ב-10 באוגוסט ביקש טרומן בחשאי שלא להטיל פצצות אטומיות נוספות על יפן ללא הוראתו המפורשת. לפיכך השעה גרובס ב-13 באוגוסט את משלוח הליבה השלישית. יומיים אחר-כך, ב-15 באוגוסט, הודיעה ממשלת יפן על נכונותה להיכנע.
לאחר הטלת שתי הפצצות נכנעה ממשלת יפן ללא תנאי באופן רשמי ב-2 בספטמבר 1945, ומלחמת העולם השנייה הגיעה לקיצה. למרות זאת, הצורך בהפצצת הירושימה ונגסאקי הפך לנושא שנוי במחלוקת בין היסטוריונים . היו ששאלו אם "דיפלומטיה גרעינית" לא הייתה משיגה את אותן מטרות, ונחלקו ביניהם אם ההפצצות האטומיות או הכרזת המלחמה הסובייטית על יפן  אכן הכריעו את המלחמה מול יפן. דו"ח פרנק  היה המאמץ הבולט ביותר ללחוץ נגד ההפצצה האטומית, אך הוא נדחה בידי הפאנל המדעי של ועדת הביניים. העצומה של סילארד , שנוסחה ביולי 1945 ונחתמה על ידי עשרות מדענים שעבדו בפרויקט מנהטן, הייתה ניסיון מאוחר להזהיר את הנשיא טרומן מפני האחריות והחובה שמוטלות עליו כתוצאה מהשימוש בנשק קטלני זה.

בדיקת נזקי הפצצות האטומיות בידי ארצות הברית

כבר ב-11 באוגוסט 1945, יומיים לאחר הטלת פצצת האטום על נגסאקי, הורה גרובס לסטפורד וורן  להקים צוות בדיקה שיסקור וידווח על ממדי ההרס והרדיואקטיביות בהירושימה ובנגסאקי. קבוצה בראשות תומאס פארל וסטפורד וורן, מצוידת במונה גייגרים ניידים, הגיעה להירושימה זמן קצר לאחר כניעת יפן, ב-8 בספטמבר, כשהאדמירל היפני מסאו צוזוקי משמש לה כמתרגם. הם נשארו בהירושימה עד 14 בספטמבר, ולאחר מכן סקרו את נגסאקי מ-19 בספטמבר עד 8 באוקטובר. משלחת זו ומשלחות מדעיות אחרות שנשלחו ליפן סיפקו נתונים מדעיים והיסטוריים חשובים על ההפצצות ועל השפעותיהן.

אחרי המלחמה

עוצמת הפצצות וההרס העצום בהירושימה ובנגסאקי הדהימו את העובדים בפרויקט מנהטן, שכלל לא הבינו מה מטרת עבודתם, ואת העולם כולו. אף שקיומן של הפצצות כבר פורסם פומבית, נמשכה הסודיות, ועובדים רבים עדיין לא ידעו מה מהות עבודתם. באוק רידג' אמר אחד העובדים ב-1946, "אני לא יודע מה לעזאזל אני עושה מלבד להסתכל לתוך —–— ולהפוך —–— ליד —–—. אני לא יודע שום דבר על זה, ואין שום דבר שאני מסוגל להגיד". תושבים רבים המשיכו להימנע מלדון בשיחות רגילות במה שהם כינו "החומר" (the stuff), למרות היותו של "החומר" הסיבה לקיומה של העיר שבה הם חיים.
לקראת הטלת הפצצות, ביקש גרובס מהנרי דאוולף סמית' להכין דו"ח היסטורי על הפצצה האטומית המיועד לקריאה על ידי הציבור הרחב. הדו"ח, ששמו המלא הוא "אנרגיה אטומית למטרות צבאיות: הדו"ח הרשמי על פיתוח הפצצה האטומית בחסות הממשל האמריקני, 1940–1945", הידוע יותר בשם "דו"ח סמית", יצא לציבור ב-12 באוגוסט 1945. גרובס וניקולס העניקו "פרסי E של הצבא והצי" לקבלני מפתח (בעיקר מפעלים אזרחיים), שמעורבותם הייתה חשאית עד כה. מעל 20 מדליות מצוינות נשיאותיות הוענקו לקבלני מפתח ולמדענים, כולל לווניבר בוש ולאופנהיימר. אנשי צבא קיבלו את עיטור "לגיון המצוינות".
בהנפורד הופסק ייצור הפלוטוניום לאחר שכורים D ,B ו-F נשחקו כתוצאה מהרעלת מוצרי ביקוע, והגרפיט התנפח בשל מה שידוע כ"אפקט ויגנר" . הנפיחות פגמה בצינורות הטעינה, שבהם הוקרן האורניום לצורך ייצור פלוטוניום, והפך אותם לבלתי שמישים. כדי לשמור על אספקת הפולוניום לפולטי הנייטרונים שבפצצה (הקיפודים), צומצם הייצור וכור B נסגר, מתוך מגמה שלפחות כור אחד יהיה זמין בעתיד. המחקר נמשך, וחברת דופונט והמעבדה המטלורגית פיתחו תהליך משופר חדש להפרדת הפלוטוניום מהאורניום, במקום התהליך פוספט-ביסמוט, שהותיר את האורניום במצב שלא איפשר שימוש נוסף בו.
ניקולס המליץ על סגירת מפעל הדיפוזיה התרמית S-50, ומסלולי אלפא במפעל Y-12 של ההפרדה האלקטרומגנטית באוק רידג'. הדבר נעשה בספטמבר 1945. אף שביצועיהם היו טובים מאי פעם, לא יכלו מסלולי אלפא להתחרות עם K-25 ועם מסלול K-27 החדש, שהחל לפעול בינואר 1946. בדצמבר נסגר מפעל Y-12 כולו.
בלוס אלמוס החלה עזיבה של מדענים מוכשרים רבים. אך הייתה עדיין עבודה רבה. הפצצות שהוטלו על הירושימה ונגסאקי דמו יותר לאב-טיפוס מעבדתי שצריך השלמת פיתוח, ונותרה עבודת מחקר ופיתוח רבה כדי להפוך אותן לפשוטות יותר, בטוחות יותר ואמינות יותר. לדוגמה, היה צריך לפתח מנגנון קריסה גם עבור פצצת האורניום במקום מנגנון הירי הבזבזני, ונדרשה גם ליבה מעורבת של אורניום-פלוטוניום בשל הקושי לספק פלוטוניום ברמת הניקיון הנדרשת בכמות מספקת. אלא שאי הוודאות לגבי עתידה של המעבדה הקשתה על המדענים להמשיך לעבוד בה. אופנהיימר חזר לתפקידו באוניברסיטת קליפורניה, וגרובס מינה את נוריס ברדבורי  כמחליף זמני (הוא יישאר לבסוף בתפקיד במשך 25 השנים הבאות).
שני פיצוצים של פצצות פלוטוניום מסוג "אדם שמן" נערכו באטול ביקיני שבאוקיינוס השקט ביולי 1946 במסגרת מבצע פרשת דרכים, במטרה לחקור את השפעת הפיצוץ הגרעיני על ספינות מלחמה. פצצת "אייבל" התפוצצה ב-1 ביולי 1946, והפיצוץ הגדול יותר, "בייקר", בוצע בתוך המים בעומק של 27 מטר ב-25 ביולי.
לאחר הפצצת הירושימה ונגסאקי, ייסדו מספר פיזיקאים מפרויקט מנהטן את ביטאון מדעני האטום, שהחל כפעולת חירום של מדענים שראו צורך דחוף בתוכנית חינוכית מיידית בנושא הנשק האטומי. לנוכח כוח ההרס של הנשק החדש, ובמיוחד מרוץ החימוש הגרעיני הצפוי, הביעו כמה חברים בפרויקט, בהם בוהר, בוש וקונאנט את הדעה כי יש צורך להגיע להסכמה על פיקוח בינלאומי על מחקר גרעיני ועל נשק אטומי. תוכנית ברוך , שנחשפה בנאום בפני ועדת האו"ם לאנרגיה אטומית  ביוני 1946, הציעה להקים רשות בינלאומית לפיתוח אטומי, אך הצעתה לא התקבלה.
בעקבות ויכוח פנימי על ניהול תוכנית הגרעין האמריקאית, הוקמה הוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית (AEC - Atomic Energy Commission) על פי חוק האנרגיה האטומית של 1946 , כדי לנהל את הנכסים ואת הפעולות של פרויקט מנהטן. היא קיימה פיקוח אזרחי על הפיתוח האטומי, והוציאה מהצבא את הפיתוח, הייצור והבקרה של הנשק האטומי. ההיבטים הצבאיים הקשורים בנשק האטומי הועברו לפרויקט הנשק המיוחד של הכוחות המזוינים .
פרויקט מנהטן חדל להתקיים ב-31 בדצמבר 1946.