Manhattanprosjektet

Manhattanprosjektet (engelsk: Manhattan Project) var et forsknings- og utviklingsprogram, som under amerikansk ledelse og med deltakelse av Storbritannia og Canada førte til fremstillingen av de første atombombene under andre verdenskrig. Fra 1942 til 1946 ble prosjektet ledet av generalmajor Leslie Groves fra den amerikanske hærens ingeniørkorps (US Army Corps of Engineers). Hærens del av prosjektet fikk betegnelsen Manhattan District. Manhattan avløste etter hvert det offisielle kodenavnet Development of Substitute Materials som betegnelse for hele prosjektet. Underveis slukte Manhattanprosjektet også den tidligere britiske motparten, kalt Tube Alloys. Blant fysikerne som tok del i Manhattanprosjektet var Albert Einstein, Edward Teller og danske Niels Bohr.
Manhattanprosjektet begynte i det små i 1938, men det vokste raskt og tilsammen beskjeftiget det over 130 000 personer og kostet nesten 2 milliarder dollar (tilsvarende ca. 150 milliarder i 2012). Over 90 % av pengene gikk til byggingen av fabrikker og produksjonen av spaltbart materiale, mens under 10 % gikk til selve utviklingen av våpnene. Forskning og utvikling foregikk på mer enn 30 forskjellige steder rundt om i USA, Storbritannia og Canada, og noen av disse var hemmelige.
Det ble bygget to typer atombomber under andre verdenskrig. En forholdsvis enkel uranbombe som benyttet uran-235, som er en relativt sjelden uranisotop som kun utgjør 0,7 % av naturlig forekommende uran. Da uran-235 kjemisk sett er identisk med den vanlige uran-238-isotopen, og veier nesten det samme, var den svært vanskelig å skille ut. Det ble brukt tre forskjellige metoder for anrikelse av uranen: elektromagnetisk diffusjon, gassdiffusjon og termodiffusjon. Hoveddelen av arbeidet ble utført i Oak Ridge i Tennessee.
Samtidig med arbeidet med å skille ut uran-235, arbeidet man også med å lage plutonium. Det ble bygget reaktorer i Hanford i Washington hvor uran ble bestrålt og omdannet til plutonium. Plutoniumet ble deretter adskilt fra uranen på kjemisk måte. Plutoniumbomben krevde et mer komplisert våpen som skapte en implosjon og ble designet og bygget på prosjektets våpendesign- og konstruksjonslaboratorium ved Los Alamos i New Mexico. Den første atombomben som ble sprengt var en plutoniumbombe som ble detonert under Trinityprøvesprengningen i Alamogordo i New Mexico 16. juli 1945. Atombombene over Hiroshima og Nagasaki bestod av uranbomben «Little Boy» og plutoniumbomben «Fat Man».
Manhattanprosjektet ble gjennomført under omfattende sikkerhetsforanstaltninger, men sovjetiske spioner lyktes likevel i å trenge inn. Gjennom Operasjon Alsos gjorde personell fra Manhattanprosjektet tjeneste i Europa for å samle inn opplysninger om det tyske atomprosjektet. Det foregikk til tider bak fiendens linjer, hvor de samlet inn nukleært materiale og fanget tyske vitenskapsfolk. I perioden like etter krigen gjennomførte Manhattanprosjektet prøvesprengninger på Bikiniatollen som et ledd i Operasjon Crossroads, utviklet ny våpen, støttet utviklingen av nettverket av amerikanske atomlaboratorier, støttet medisinsk forskning innenfor radiologi og la grunnsteinen for den atomdrevne flåten. Prosjektet beholdt kontrollen over den amerikanske atomforskningen og produksjonen av atombomber frem til etableringen av United States Atomic Energy Commission i januar 1947.

Opprinnelsen

I august 1939 skrev de to fremtredende fysikerne Leó Szilárd og Eugene Wigner et utkast til det såkalte Einstein–Szilárds brev, som advarte om den mulige utviklingen av «ekstremt kraftige bomber av en ny type». I brevet oppfordret de USA til å ta skrittet med å anskaffe et lager av uranmalm og fremskynde forskningen som Enrico Fermi og andre arbeidet med angående nukleære kjedereaksjoner. De fikk Albert Einstein til å signere brevet og avlevere det til president Franklin D. Roosevelt. Roosevelt oppfordret videre Lyman Briggs fra National Bureau of Standards til å lede en rådgivende urankomite, som skulle undersøke forholdene som ble omtalt i brevet. Briggs holdt et møte 21. oktober 1939, med deltakelse av Szilárd, Wigner og Edward Teller. Komiteen svarte tilbake til Roosevelt at uran «ville være en mulig kilde til bomber, som ville være langt mer destruktive enn noen kjente hittil».
Briggs foreslo at National Defense Research Committee (NDRC) skulle bruke 167 000 dollar på forskning, spesielt på uran-235-isotopen og det nylig fremstilte plutonium. 28. juni 1941 undertegnet Roosevelt Executive Order 8807, som etablerte Office of Scientific Research and Development (OSRD) med Vannevar Bush som direktør. Kontoret fikk i oppgave å beskjeftige seg med store ingeniørprosjekter utover forskning. NDRC-komitéen om uran ble S-1 Uranium Committee hos OSDR. Ordet «Uranium» ble etter kort tid fjernet av sikkerhetshensyn.
I juni 1939 kom de britiske forskerne Otto Frisch og Rudolf Peierls ved University of Birmingham frem til et gjennombrudd i undersøkelsen av den kritiske massen til uran-235. Deres beregninger antydet at den kritiske størrelsen lå i en størrelsesorden på 10 kg, noe som  var tilstrekkelig lite til at en uranbombe kunne brukes fra et av datidens bombefly. Deres Frisch–Peierls memorandum fra mars 1940 satte gang i det britiske atombombeprosjektet og dets Maud Committee, som enstemmig anbefalte at man forsøkte å utvikle en atombombe. Et av medlemmene, den australske fysikeren Mark Oliphant, fløy til USA i slutten av august 1941 og konstaterte at de opplysningene som Maud-komiteen hadde stilt til rådighet ikke var nådd frem til de amerikanske fysikerne. Oliphant forsøkte deretter å finne ut av hvorfor komiteens opplysninger tilsynelatende hadde blitt ignorert. Han møtte med urankomiteen og besøkte Berkeley i California, hvor han nådde langt i en samtale med Ernest Lawrence. Lawrence var tilstrekkelig imponert til at han selv innledet en uranforskning. Han talte selv med James B. Conant, Arthur Compton og George Pegram. Oliphants oppdrag var derfor en suksess, i det betydningsfulle amerikanske fysikere nå var klar over potensialet i en atombombe.
Under et møte mellom president Roosevelt, Vannevar Bush og visepresident Henry A. Wallace 9. oktober 1941, godkjente presidenten atomprogrammet. Til å lede programmet nedsatte han en overordnet politisk gruppe bestående av ham selv, selv om han aldri deltok i noen møter, Wallace, Bush, Conant, krigsminister Henry L. Stimson og hærens øverstkommanderende, general George Marshall. Roosevelt valgte å la hæren styre prosjektet fremfor marinen, fordi hæren hadde mest erfaring med styring av storstilte prosjekter. Han gikk også inn for å koordinere innsatsen med britene, og den 11. oktober sendte han en meddelelse til statsminister Winston Churchill hvor han foreslo at de skulle skrive sammen om atomspørsmål.

Forslag

S-1-komiteen hold sitt første møte 18. desember 1941 i «en atmosfære av entusiasme og behov for handling», i kjølvannet av angrepet på Pearl Harbor og den etterfølgende krigserklæringen mot Japan fra Tyskland. Det ble arbeidet på tre forskjellige metoder med separeringen av uran-235- og uran-238-isotopene. Lawrence og hans lag ved Berkeley undersøkte muligheten for elektromagnetisk adskillelse, mens Eger Murphree og Jesse Beams' lag undersøkte gassdiffusjon ved Columbia University og Philip Abelson ledet en undersøkelse av termodiffusjon ved Carnegie Institution of Washington og senere på Naval Research Laboratory. Murphree var også leder for et mislykket prosjekt med separasjon ved hjelp av sentrifuger.
I mellomtiden ble det forsket på to typer reaktorteknologi. Harold Urey fortsatte sin forskning på tungtvann ved Columbia-universitetet, mens Arthur Compton tok med seg de forskerne som arbeidet under hans ledelse på Columbia og Princeton University til University of Chicago. Her bygget han opp det metallurgiske laboratorium i begynnelsen av 1942 for å studere plutonium og reaktorer som brukte grafitt som nøytronmoderator. Briggs, Compton, Lawrence, Murphy og Urey møttes 23. mai 1942 for å ferdiggjøre S-1-komitéens anbefaling, som gikk ut på at man skulle arbeide videre med alle fem teknologier. Dette ble godkjent av Bush, Conant og brigadegeneral Wilhelm D. Styer, stabssjef for generalmajor Brehon B. Somervells forsyningstjeneste, som var blitt utpekt til å være hærens representant i atomære spørsmål. Bush og Conant tok anbefalingen med til den overordnede politiske gruppen med et budsjettforslag på 54 millioner amerikanske dollar til byggeprosjekter som skulle utføres av hærens ingeniørkorps, 31 millioner til forskning og utvikling i OSRD og 5 millioner til uforutsette utgifter i finansåret 1943. Den overordnede politiske gruppen sendte anbefalingen videre til presidenten 17. juni 1942, og han godkjente budsjettet ved å skrive «OK FDR» på dokumentet.

Skisser til utforming av en bombe

Compton ba den teoretiske fysikeren Robert Oppenheimer fra Berkeley om å ta over ansvaret for forskningen på hurtige nøytronkalkulasjoner – nøkkelen til beregningen av den kritiske massen og detoneringen av våpenet – etter Gregory Breit. Breit hadde sagt opp 18. mai 1942 på grunn av bekymringer om slapp operasjonssikkerhet. John H. Manley, en fysiker fra det metallurgiske laboratoriet, fikk som oppgave å assistere Oppenheimer ved å kontakte og koordinere grupper av eksperimentelle fysikere spredt over hele landet. Oppenheimer og Robert Serber fra University of Illinois undersøkte problemene rundt nøytronspredning – hvordan nøytroner beveger seg i en kjedereaksjon – og hydrodynamikk – hvordan eksplosjonen som følge av en kjernereaksjon kunne tenkes å oppføre seg.
For å kontrollere dette arbeidet og den generelle teorien om fisjonsreaksjoner, innkalte Oppenheimer til møter ved University of Chicago i juni og ved University of California, Berkeley i juli 1942 med de teoretiske fysikerne Hans Bethe, John H. van Vleck, Edward Teller, Emil Konopinski, Robert Serber, Stan Frankel og Eldred C. Nelsen. De tre sistnevnte hadde tidligere vært Oppenheimers studenter. I tillegg møtte også de eksperimentelle fysikerne Felix Bloch, Emilio Segrè, John Manley og Edwin McMillan. De kom frem til en foreløpig konklusjon om at en fisjonsbombe var teoretisk mulig.
Der var fremdeles mange ukjente faktorer. Man visste ikke mye om hvordan rent uran-235 oppførte seg, og det samme gjaldt plutonium – et grunnstoff som først var blitt fremstilt i februar 1941 av Glenn T. Seaborg og hans gruppe. Vitenskapsfolkene på Berkeley-konferansen forestilte seg at man skulle lage plutonium i atomreaktorer hvor uran-238-atomer opptok nøytroner som var blitt utsendt ved spaltning av uran-235-atomer. På dette tidspunktet var det enda ikke bygget noen reaktor, og det var kun svært små mengder plutonium til rådighet fra syklotroner. Selv i desember 1943 var det kun blitt fremstilt 2 mg.
Det var mange måter å forme spaltbart materiale slik at det ble til en kritisk masse. Den enkleste bestod i å støte en sylinder inn i et hull i en kule omkranset av et materiale som holdt nøytronene inne i det spaltbare materialet for å øke effekten. De undersøkte også former som kuler, en primitiv form for «implosjon» foreslått av Richard Tolman, samt muligheten for autokatalytiske metoder som ville øke kraften av bomben under eksplosjonen.
Da de anså tanken om en fisjonsbombe som avklart i teorien – i det minste inntil det var innsamlet flere eksperimentelle data – skiftet deltakerne på Berkeley-konferansen emne. Edward Teller mente at de skulle diskutere en kraftigere type bombe, kalt «super», som vi i dag kjenner som en «hydrogenbombe», og som ved hjelp av en atombombe som detonator skulle skape en fusjonsprosess mellom deuterium og tritium. Teller foreslo den ene metoden etter den andre, men Bethe avslo dem alle. Tanken om en fusjonsbombe ble lagt til side slik at man kunne konsentrere seg om å lage en fisjonsbombe.
Teller tok også opp problemstillingen om at det en detonasjon kunne føre til at atmosfæren ble antent som følge av fusjon av hydrogenkjerner. Bethe beregnet at dette ikke ville skje, og en rapport med Teller som medforfatter sa at «ingen selvforsterkende kjedereaksjon er sannsynlig». Ifølge Serbers beretning, nevnte Oppenheimer det for Arthur Compton, som «ikke hadde tilstrekkelig sunn fornuft til å holde munn om det. Det endte i et dokument som ble sendt til Washington» og «aldri ble begravd».

Manhattandistriktet

Sjefen for ingeniørkorpset, generalmajor Eugene Reybold, valgte oberst James C. Marshall til å lede hærens andel av prosjektet i juni 1942. Marshall etablerte et forbindelseskontor i Washington, D.C., men etablerte et midlertidig hovedkontor på 18. sal av 270 Broadway i New York hvor han kunne trekke administrativ støtte fra ingeniørkorpsets nordatlantiske divisjon. Det lå tett på Stoen & Websters' kontorer på Manhattan – de var den viktigste leverandøren til prosjektet – og på Columbia University. Marshall hadde tillatelse til å rekruttere folk fra sin tidligere stab i Syracuse District, og han startet med å hente oberstløytnant Kenneth Nichols som ble hans nestkommanderende.
Da de fleste av hans oppgaver dreide seg om bygging, jobbet Marshall sammen med lederen av ingeniørkorpset bygningsdivisjon, generalmajor Thomas M. Robbind og dennes nestkommanderende, oberst Leslie Groves. Reybold, Somervell og Styer besluttet å kalle prosjektet «Utvikling av erstatningsmaterialer», men Grove mente at dette kunne tiltrekke oppmerksomhet. Siden ingeniørdistrikter som regel var oppkalt etter byen de var plassert, ble Marshall og Groves enige om å kalle hærens del av prosjektet for Manhattandistriktet (engelsk: Manhattan District). Dette ble den offisielle betegnelsen den 13. august da Reybold utstedte ordren som etablerte det nye distriktet. Uformelt var det kjent som Manhattan ingeniørdistrikt, eller MED. I motsetning til andre distrikter hadde det ikke noen geografisk avgrensing, og Marshall fungerte som en divisjonsingeniør. Utviklingen av erstatningsmaterialer forble det offisielle kodenavnet for prosjektet som helhet, men ble etter hvert erstattet med «Manhattan».
Marshall innrømmet senere at «jeg hadde aldri hørt om fisjon før, men jeg visste at man ikke kunne bygge noe stort fabrikkompleks – for ikke å snakke om fire – for 90 millioner dollar». En fabrikk for fremstilling av TNT som Nichols nylig hadde bygget i Pennsylvania hadde kostet 128 millioner dollar. De lot seg heller ikke imponere over estimatene som lå innenfor en faktor på 10 i begge retninger, noe Groves sammenlignet med en festarrangør som skulle lage mat til mellom 10 og 1 000 gjester. En undersøkelsesgruppe fra Stone & Webster hadde allerede funnet et passende sted og plassere fabrikkene. War Production Board anbefalte en plassering rundt Knoxville i Tennessee, et isolert område hvor Tennessee Valley Authority kunne levere rikelig med elektrisk strøm og elvene kunne levere kjølevann til reaktorene. Etter å ha undersøkt de forskjellige stedene falt valget på et område nær Ela i Tennessee. Conant anbefalte at området straks ble anskaffer. Styer var enig, men Marshall forsøkte å vinne litt tid idet han avventet resultatene fra Conants reaktoreksperimenter før han gikk i gang. Blant de mulige prosessmulighetene viste det seg at kun Lawrences elektromagnetiske separering fungerte godt nok til at man kunne gå i gang med å bygge.
Marshall og Nichols begynte å samle de ressursene de hadde behov for. Det første skrittet bestod i å få prosjektet tildelt topp prioritet. De høyeste prioritetene var AA-1 til AA-4 i synkende rekkefølge, og det fantes også en AAA-prioritet forbeholdt nødstilfeller. Prioritetene AA-1 og AA-2 ble brukt til avgjørende våpen og utstyr, så oberst Lucius D. Clay, som var visestabssjef i tjenester og leveranser av bestillinger og ressurser, mente at AA-3 var den høyeste prioriteten han kunne gi, men han var villig til å gi AAA-prioritet til kritiske materialer hvis behovet oppstor. Nichols og Marshall var skuffet. AA-3 var den samme prioriteten som Nichols' TNT-fabrikk i Pennsylvania.

Militærpolitisk komite

Bush ble utilfreds av at oberst Marhsall ikke kunne få prosjektet til å gå raskt nok fremover, at de ikke hadde lyktes i å skaffe området i Tennessee, den lave prioritet som hæren hadde gitt prosjektet og å beskytte hæren og plasseringen av hans hovedkvarter i New York. Bush mente at det var behov for en mer energisk ledelse, og tok derfor kontakt med Harvey Bundy og generalene Marshall, Somervell og Styer om sine bekymringer. Han ønsket at prosjektet skulle plasseres under en høyt rangerende politisk komite med en høyt ansett offiser – helst Styer – som øverste leder.
Somervell og Styer valgte Groves til denne stillingen, og ga ham beskjed om dette 17. september. Samtidig ga general Marshall ordre om at skulle forfremmes til brigadegeneral, da han mente at tittelen general ville gi pondus overfor vitenskapsmennene som deltok i Manhattanprosjektet. Groves' ordre plasserte ham direkte under Somervell i stedet for under Reybold, mens Marshall nå var underlagt Groves. Groves slo opp sitt hovedkvarter i Washington, D.C. i femte etasje i krigsministerens nye bygning, hvor også oberst Marshall hadde sitt forbindelseskontor. Han overtok formelt kommandoen over Manhattanprosjektet 23. september. Senere samme dag deltok han i et møte innkalt av Stimson, som dannet en militærpolitisk komite som skulle være ansvarlig ovenfor den øverste politiske gruppen. Denne komiteen bestod av Bush (med Conant som reserve), Styer og kontreadmiral William R. Purnell. Tolman og Conant ble senere utpekt til vitenskapelige rådgivere for Groves.
Den 19. september oppsøkte Groves Donald Nelson, formannen for War Production Board, og bad om en bred autoritet til å utstede AAA-prioriteter når det var nødvendig. I starten strittet Nelson i mot, men han ga raskt opp etter at Groves truet med å gå til presidenten. Groves lovte å ikke bruke AAA-prioriteten med mindre det var helt nødvendig. Det var tidlig klart at for prosjektets alminnelige behov, var AAA-prioriteten alt for høy, men samtidig var AA-3-prioriteten alt for lav. Etter en lang kamp fikk Groves til slutt tildelt prosjektet AA-1-status den 1. juli 1944.
Et av Groves første utfordringer bestod i å finne en direktør for Procjet Y – den gruppen som skulle utforme og bygge bomben. Det opplagte valget var en av de tre laboratorielederne, Urey, Lawrence eller Compton, men de kunne ikke unnværes. Compton anbefalte Oppenheimer, som allerede hadde stor kjennskap til konseptene for hvordan bomben kunne bygges. Oppenheimer hadde imidlertid ikke noen stor administrativ erfaring, og i motsetning til Urey, Lawrende og Compton hadde han ikke vunnet Nobelprisen, noe mange fysikere mente at lederen av et slikt prosjekt burde ha. Det var også problemer med Oppenheimers sikkerhetsstatus. Flere i hans omgangskrets var kommunister, deriblant hans bror Frank Oppenheimer, hans kone Kitty og hans venninne Jean Tatlock. En lang samtale på et tog i oktober 1942 overbeviste Groves og Nichols om at Oppenheimer fullt ut forstod de problemene som var ved å etablere et laboratorium på et avsidesliggende sted, og at han skulle utpekes til direktør for dette laboratoriet. Groves avviste personlig betenkelighetene med sikkerhetsstatusen, og utstedte en sikkerhetsklarering av Oppenheimer 20. juli 1943.

Samarbeid med Storbritannia

Britene og amerikanerne utvekslet informasjon om atomære emner, men i starten var ikke innsatsen dem imellom koordinert. I 1941 avslo Storbritannia et forsøk fra Bush og Conant om å styrke samarbeidet med deres eget prosjekt, som gikk under navnet Tube Alloys, fordi de ikke var villige til å dele av sin kunnskap og hjelpe USA med å utvikle en atombombe. En amerikansk forsker som overbrakte et personlig brev fra Roosevelt til Churchill, hvor han tilbød seg å betale for all forskning og utvikling i et anglo-amerikansk prosjekt, ble dårlig behandlet, og Churchill svarte ikke på brevet. Som et resultat besluttet USA så tidlig som i april 1942 at tilbudet ble avvist, og at de skulle gå videre alene.
Storbritannia kunne imidlertid ikke mønstre den samme mannskapsstyrken som amerikanerne, og til tross for den tidlige og lovende starten, seilte det britiske prosjektet raskt akterut i forhold til det amerikanske. 30. juli 1942 anbefalte John Anderson – den ansvarlige ministeren for prosjektet – overfor statsministeren at «Vi må innse det faktum, at … [vårt] pionerarbeid … er et aktiv av fallende verdi, og at hvis vi ikke kapitaliserer det rask, vil vi falle av. Vi kan på nåværende tidspunkt bidra vesentlig ved en 'sammenslåing', men snart vil vi ikke kunne bidra med noe.»
På dette tidspunktet var britenes forhandlingsposisjon blitt endret. Bush og Conant hadde besluttet at USA ikke lengre hadde behov for hjelp utenfra, og de andre i den bombepolitiske komiteen ønsket å forhindre britene i å bygge en atombombe etter krigen. Komiteen støttet dette, og Roosevelt var innforstått med at strømmen av informasjon ble innskrenket til det britene kunne bruke under krigen, og spesielt ikke utformingen av bomben, til tross for at det amerikanske prosjektet dermed ble forsinket.
Overføringen av informasjon til britene avtok da Bush og Conant fortalte britene av ordren kom «fra toppen». I begynnelsen av 1943 sluttet britene å sende forskningsresultater og vitenskapsfolk til USA, og som en følge av det stanset amerikanerne utveksling av all informasjon. Britene vurderte også å stoppe leveransen av uran og tungtvann fra Canada for å tvinge amerikanerne til å dele informasjon, men Canada måtte ha forsyninger fra USA for å kunne produsere begge deler. De undersøkte muligheten for et selvstendig program, men fant ut at de ikke kunne bli ferdig i tide til at de kunne få betydning for krigens utfall i Europa.
I mars 1943 besluttet Conant at det ville være en fordel for prosjektet hvis de kunne få britisk bistand på enkelte områder. James Chadwick og et par av de andre britiske forskerne var tilstrekkelig viktige til at bombedesignerne ved Los Alamos hadde bruk for dem, til tross for risikoen for å avsløre hemmeligheter om bombens utforming. I august 1943 forhandlet Churchill og Roosevelt frem Québec-avtalen, noe som førte til en gjenopptagelse av samarbeidet mellom forskere som arbeidet med de samme problemstillingene. Storbritannia godtok imidlertid restriksjoner på data om byggingen av de storstilte produksjonsanleggene som van nødvendig for fremstilling av bomben. Den etterfølgende Hyde Park-avtalen i september 1944 utvidet dette samarbeidet til også å omfatte tiden etter krigen.
Quebec-avtalen betød etablering av Combined Policy Committee, som skulle koordinere innsatsen i USA, Storbritannia og Canada. Stimson, Bush og Conant var de amerikanske medlemmene av denne komiteen, mens feltmarskalk John Dill og John Jestyn Llewellin var de britiske og C.D. Howe var det canadiske medlemmet. Llewellin vendte tilbake til Storbritannia mot slutten av 1943 og ble avløst i komiteen av Ronald Ian Campbell. Han ble igjen avløst av den britiske ambassadøren i Storbritannia, Lord Halifax, i begynnelsen av 1945. John Dill døde i Washington, D.C. i november 1944 og ble etterfulgt av så vel leder av British Joint Staff Mission og som medlem av komiteen av feltmarskalk Henry Maitland Wilson.
Da samarbeidet ble gjenopptatt etter Quebec-avtalen, ble britene forbløffet over hvor langt amerikanerne hadde kommet, og hvor store ressurser de satte inn. USA hadde allerede brukt over én milliard amerikanske dollar (ca. 13,4 mrd. dollar i 2012) mens britene i 1943 hadde brukt ca. 0,5 millioner britiske pund. Chadwick la derfor opp til at britene skulle delta mest mulig i Manhattanprosjektet og gi opp alt håp om å selv kunne gjennomføre et prosjekt etter krigen. Med Churchills støtte forsøkte han å sikre at enhver anmodning fra Groves om assistanse ble imøtekommet. Den britiske delegasjonen som ankom USA i desember 1943 talte Niels Bohr, Otto Frisch, Klaus Fuchs, Rudolf Peierls og Ernest Titterton.
Flere vitenskapsfolk kom også over i begynnelsen av 1944. Mens de som deltok i gassdiffusjonen dro tilbake høsten 1944, ble de 35 som jobbet med Lawrence ved Berkeley fordelt på de eksisterende laboratoriegruppene, og de ble der frem til krigens slutt. De 19 som ble sendt til Los Alamos ble også med i eksisterende grupper som fortrinnsvis hadde med implosjon og bombesamling å gjøre, men ikke med plutoniumbombene. En del av Quebec-avtalen gikk ut på at det ikke ville bli brukt atomvåpen mot et land med mindre det var enighet om det. I juni 1945 gikk Wilson med på at bruken av atomvåpen mot Japan skulle fastslås i en beslutning i Combined Policy Committee.
I juni 1944 ble Combined Development Trust (CDT) med Groves som formann dannet av Combined Policy Committee med det formål å anskaffe uran- og thoriummalm på verdensmarkedet. I Belgisk Kongo og Canada lå en stor del av verdens uran utenfor Øst-Europa, og den belgiske eksilregjeringen satt i London. Storbritannia innvilget å gi USA hoveddelen av den belgiske uranmalmen da de ikke kunne bruke størsteparten av den uten amerikansk kunnskap. I 1944 kjøpte CDT 1 560 tonn uranoksidmalm fra selskaper som drev minedrift i Belgisk Kongo. For å unngå å orientere den amerikanske finansministeren Henry Morgenthau jr. om prosjektet, ble det opprettet en egen konto som ikke var underlagt de vanlige revisjonene og kontrollen. Fra 1944 og frem til han trakk seg tilbake fra CDT i 1947, satte Groves inn totalt 37,5 millioner dollar på CDTs konto.
Groves verdsatte britenes tidlige atomforskning og de britiske forskernes bidrag til Manhattanprosjektet, men han uttalte at USA også ville ha klart seg uten dem. Uansett om han hadde rett eller ikke, var britenes deltakelse under krigen av avgjørende betydning for at britenes utvikling av egne atomvåpen etter krigen, da McMahon-loven kom i 1946 og satte en midlertidig stopp for det amerikanske samarbeidet på atomområdet.

Oak Ridge

Dagen etter at han overtok prosjektet, tok Groves toget til Tennessee sammen med oberst Marshall for å inspisere den foreslåtte plasseringen der, og han ble imponert. 29. oktober godkjente visekrigsminister Robert P. Patterson ingeniørkorpset til å ekspropriere 23 000 ha for 3,5 millioner dollar. Ytterligere 1 200 ha ble føyd til senere. Totalt ble ca. 1 000 familier berørt av ekspropriasjonen som ble gjennomført 7. oktober. Protester, juridiske appeller og en kongressundersøkelse i 1943 var nytteløse.
I midten av november hengte US Marshals opp flyttemeldinger på husdører samtidig som entreprenørfirmaer rykket inn. Enkelte familier fikk to uker på seg til å flytte fra gårdsbruk som hadde vært deres hjem i generasjoner. Andre som måtte flytte  hadde bosatt seg der etter å ha blitt tvangsflyttet for å gi plass til Great Smoky Mountains nasjonalpark på 1920-tallet eller Norris-demningen på 1930-tallet. Den endelige prisen for avståelsen av jorden i området, som først ble besluttet i mars 1945, var på bare 2,6 millioner dollar, tilsvarende ca. 116 dollar per hektar. Da guvernøren av Tennessee, Prentice Cooper, ble forelagt offentlig proklamasjon nr. 2, som erklærte at Oak Ridge var et fullstendig avsperret område som ingen måte tre inn i uten militær tillatelse, ble han så sint at han rev den i stykker.
Stedet fikk først navnet Kingston Demolition Range, men ble senere offisielt gitt navnet Clinton Engineer Works (CEW) i starten av 1943. For at Stone og Webster skulle kunne konsentrere seg om produksjonsanlegget, ble et boligkvarter til 13 000 personer utformet og bygget av arkitekt og byggefirmaet Skidmore, Owings and Merrill. Boligkvarteret lå i skråningene til Black Oak Ridge, og den nye byen fikk navnet Oak Ridge. Hærens tilstedeværelse ved Oak Ridge vokste i august 1943 da Nichols etterfulgte Marshall som leder av Manhattan ingeniørdistrikt. En av hans første oppgaver var å flytte distriktshovedkvarteret til Oak Ridge, selv om navnet på distriktet ikke ble endret.
I september 1943 ble administrasjons- og kommunikasjonsfasilitetene overført til Turner Construction Company gjennom et datterselskap som fikk navnet Roane-Anderson Company. Selskapet var oppkalt etter Anderson County og Roane County som var de fylkene Oak Ridge var en del av. Befolkningstallet i Oak Ridge oversteg snart de opprinnelige planene, og nådde toppen på 75 000  i mai 1945, hvor det på samme tid var ansatt 82 000 ansatte på Clinton Enginer Works, og 10 000 Roane-Anderson.

Los Alamos

Det ble vurdert å plassere Project Y ved Oak Ridge, men til slutt ble det bestemt at det skulle foregå på et fjerntliggende sted. Etter anbefaling fra Oppenheimer ble jakten på et passende sted innsnevret til området ved Albuquerque i New Mexico hvor Oppenheimer eide en ranch. I oktober 1942 ble major John H. Dudley fra Manhattanprosjektet sendt avsted for å undersøke området, og han anbefalte et sted i nærheten av Jemez Springs. 16. november besøkte Oppenheimer, Groves, Dudley og andre stedet. Oppenheimer var redd for at de høye klippene rundt området ville føre til klaustrofobi blant de ansatte, mens ingeniørene var redd for muligheten for oversvømmelser. Gruppen fortsatte deretter til området ved Los Alamos Ranch School. Oppenheimer ble imponert og uttalte seg til fordel for stedet med henvisning til dets naturlige skjønnhet og utsikt til Sangre de Cristo-fjellene, som han håpte ville inspirere de som skulle arbeide på prosjektet. Ingeniørene var bekymret over den dårlige adkomstveien og om det var tilstrekkelig med vann tilgjengelig, men utover det, mente de stedet var ideelt.
Patterson godkjente kjøpet av området 25. november 1942 og frigjorde kjøpesummen på 440 000 dollar for 22 000 hektar, hvorav kun 3 600 hektar ikke var eid av føderale myndigheter allerede. Den amerikanske landbruksministeren Claude R. Wickard ga tillatelse til at ca. 18 300 hektar som tilhørte United States Forest Service kunne brukes av krigsdepartementet «så lenge det er militært nødvendig». Behovet for jord til en ny vei og senere rett til å trekke en 40 km lang høyspentkabel betød at man under krigen endte opp med å anskaffe 18 509 ha, men det ble kun brukt 414 971 dollar.
Kontrakten for byggingen ble gitt til M. M. Sundt Company i Tucson i Arizona, med Willard C. Kruger og Associates i Santa Fe som arkitekt og ingeniør. Arbeidet ble påbegynt i desember i desember 1942. Groves friga fra starten 300 000 dollar til byggingen, tre ganger så mye som Oppenheimer hadde regnet med. Ferdigstillelsen var planlagt 15. mars 1943. Det ble raskt klart at omfanget av Project Y var større enn ventet og da Sundt var ferdig 30. november 1943 var det brukt over 7 millioner dollar.
Fordi stedet var hemmelig, ble Los Alamos omtalt som «Site Y» eller «The Hill». Fødselsattester for barn som ble født i Los Alamos under krigen var oppført med PO Box 1663 i Santa Fe som fødested. Opprinnelig skulle Los Alamos ha vært et militært laboratorium og Oppenheimer og andre forskere skulle ha vært utnevnt til offiserer i hæren. Oppenheimer rakk å bestille en uniform som oberstløytnant, men to av nøkkelfysikerne, Robert Bacher og Isidor Rabi, gjorde innsigelser mot ideen. Conant, Groves og Oppenheimer utformet deretter et kompromiss hvor laboratoriet ble drevet av University of California for krigsdepartementet.

Argonne

Under et møte i OSRD (Office of Scientific Research and Development) 25. juni 1942 ble det bestemt å bygge et pilotanlegg for fremstillingen av plutonium I Argonne-skogen sørvest i Chicago. I juli inngikk Nichols et leieavtale om 400  hektar jord fra Cook County i Illinois, og kaptein James F. Grafton ble utpekt til ingeniør i Chicago-området. Det ble snart klart at omfanget av operasjonen ville bli for stort til å kunne rommes i Argonne, og det ble besluttet å bygge anlegget ved Oak Ridge og beholde et forsknings- og testanlegg i Chicago.

Forsinkelser ved etableringen av Argonne fikk Compton til å godkjenne byggingen av den første reaktoren på Stagg Field ved University of Chicago. 2. desember 1942 gjennomførte en gruppe under ledelse av Enrico Fermi den første kunstige vedvarende kjedereaksjonen i en eksperimentell reaktor, senere kjent som Chicago Pile-1. Punktet hvor en reaksjon blir vedvarende er kjent som «det kritiske punkt». Compton Rapporterte om suksessen til Conant i Washington, D.C. ved hjelp av en telefonbeskjed hvor han sa: «Den italienske styrmannen [Fermi] har nettopp gått i land i den nye verden.» I januar 1943 ga Graftons etterfølger, major Arthur V. Peterson, ordre om at Chicago Pile-1 skulle tas ned og settes opp igjen i Argonn, da han anså det som for farlig å drive en reaktor i et tettbefolket område.  Etter krigen ble operasjonene som gjenstod ved Red Gate flyttet til New Argonne National Laboratory, ca. 10 km unna.

Hanford

I desember 1942 oppstod det bekymring om at også Oak Ridge lå for nær storbyen Knoxville i forhold til en atomulykke. Groves antok i november 1942 DuPont som entreprenør for byggingen av produksjonsanlegget for plutonium. DuPont fikk tilbudt en standard kontrakt hvor de fikk dekket sine omkostninger pluss honorar, men selskapets direktør ønsket ikke å tjene noe på dette, så han ba om å få en endret kontrakt hvor det klart fremgikk at selskapet ikke oppnådde noen form patentrettigheter. Dette ble godkjent, men av juridiske årsaker ble man enige om et nominelt beløp på én dollar. Etter krigen ba DuPont om å bli frigjort fra kontrakten før tiden, og måtte da tilbakebetale 33 cent. 
DuPont anbefalte at produksjonsanlegget ble plassert langt unna uranproduksjonsanlegget ved Oak Ridge. I desember 1942 sendte Groves oberst Franklin Matthias og ingeniører fra DuPont av gårde for å undersøke mulige plasseringer. Matthias rapporterte at Hanover, nær Richland, var «ideelt på nesten alle punkter». Det lå isolert og tett på Columbia River, som kunne levere tilstrekkelig med vann til å kjøle reaktorene som skulle produsere plutonium. Groves besøkte stedet i januar og grunnla Hanford Engineer Worsk (HEW) med kodenavnet «Site W».
Visekrigsminister Patterson ga sin endelige godkjennelse 9. februar og frigjorde 5 millioner dollar til anskaffelse av 16 000 hektar jord i området. Den føderale regjeringen tvangsflyttet rundt 1 500 beboere fra White Bluffs, Hanford og omkringliggende bebyggelser i tillegg til Wanapum og andre indianerstammer i området. Det oppstod en konflikt med bøndene om kompensasjon for avlinger som allerede var satt i jorden som var kjøpt. Der hvor tiden tillot det, fikk de tillatelse til at avlingen ble høstet, men det kunne ikke alltid la seg gjøre. Anskaffelsen av jord trakk ut, og var ikke avsluttet da Manhattanprosjektet ble avsluttet i desember 1946.
Striden forsinket ikke arbeidet. Selv om de ikke var kommet tilstrekkelig langt i utformingen av hvordan reaktorene skulle se ut på Metallurgical Laboratory og ved DuPont til at man nøyaktig kunne angi prosjektets størrelse, gikk man i gang med byggingen av fasiliteter til 25 000 arbeidere i april 1943. Det ble anlsått at ca. halvparten av arbeiderne ville være bosatt på stedet. I juli 1944 var det blitt bygget ca. 1 200 bygninger og nesten 51 000 personer bodde på området. Som områdets ingeniør, satt Mathias med den overordnede kontrollen over området. På det høyeste utgjorde konstruksjonsområdet den tredje største byen i Washington. Hanford rådet over en flåte på over 900 busser – flere enn byen Chicago. Akkurat som Los Alamos og Oak Ridge, var Richland et innhegnet samfunn med begrenset adgang, men den lignet i større grad en fremstormende amerikansk by under krigen: den militære tilstedeværelsen var mindre og den fysiske sikkerheten i form av høye gjerder, tårn og vakthunder var ikke så åpenlys.

Canadiske anlegg

Cominco hadde fremstilt hydrogen elektrolytisk i Trail siden 1930. Urey foreslo i 1941 at de også kunne fremstille tungtvann. Utover det eksisterende anlegget til 10 millioner dollar som bestod av 3 215 celler som brukte 75 MW elektrisitet, ble det tilføyd sekundære elektrolytiske celler som økte konsentrasjonen av deuterium i vannet fra 2,3 % til 99,8 %. Til bruk i denne prosessen utviklet Hugh Taylor fra Princeton en platina på kullkatalysator til de tre første trinnene, mens Urey uviklet en nikkel-krom-katalysator til det fjerde. Endelig pris for dette ble 2,8 millioner dollar. Den canadiske regjeringen fikk offisielt ikke vite noe om prosjektet før i august 1942. Tungtvannsproduksjonen i Train ble påbegynt i januar 1944, og opprettholdt frem til 1956. Tungtvannet fra Train ble brukt i reaktoren i Argonne, som var den første reaktoren som brukte tungtvann og naturlig forekommende uran. Den ble satt i gang 15. mai 1944.
Anlegget ved Chalk River i Ontario ble bygget for å kunne flytte aktivitetene på Montreal Laboratory ved McGill University vekk fra byområdet. Et nytt anlegg ble bygget ved Deep River sammen med boliger og fasiliteter for gruppens medlemmer. Stedet ble valgt ut fra nærheten til de industrielle omorådene i Ontario og Québec, og fordi det lå i nærheten av en jernbanestasjon ved den store militærbasen Camp Petawawa. Plasseringen ved Ottawa River betød at de fikk tilgang til rikelig med vann. Den første direktøren for det nye laboratoriet var John Cockroft, som senere ble etterfulgt av Bennet Lewis. En forsøksreaktor med betegnelsen ZEEP (‘’zero-energy experimental pile’’) ble den første canadiske atomreaktoren, og den ble også den første som ble tatt i bruk utenfor USA da den ble satt i gang i september 1945. En større reaktor på 10 MW, NRX, ble tegnet under krigen og ferdiggjort og satt i gang i juli 1947.

Tungtvannsanlegg

Selv om DuPonts foretrukne utforming av reaktorer inneholdt avkjøling ved hjelp av helium og kontrollstaver av grafitt, uttrykte DuPont også interesse for å bruke tungtvann som backup i tilfelle grafittreaktordesignet av en eller annen grunn viste seg å ikke fungere. Til dette formålet ble det beregnet at det var nødvendig med tre tonn tungtvann i måneden. Siden anlegget ved Trail, som den gang var under oppbygning, kunne levere 0,5 tonn i måneden, var det behov for ytterligere kapasitet. Groves ga derfor DuPoint i oppgave å etablere tungtvannsanlegg ved Morgantown Ordnance Works i nærheten av Morgantown i Vest-Virginia, på Wabash River Ordnance Works nær Dana og Newport i Indiana og nær Alabama Ordnance Works nær Childersburg og Sylacauga i Alabama. Selv om de var kjent som ammunisjonsfabrikker og ble betalt av ammunisjonsavdelingen, ble de bygget og drevet av hærens ingeniørkorps. De amerikanske anleggene brukte en annen metode enn det på Trail; De utnyttet tungtvannets noe høyere kokepunkt til å skille det ut ved destillering.

Malm

Det viktigste råmaterialet for prosjektet var uran. Dette ble brukt som drifstoff i reaktorene, som materiale som ble omdannet til plutonium, og i anriket tilstand også i selve atombomben. Det var fire kjente forekomster av uran i 1940; i Colorado, i det nordlige Canada, Joachimstal i Tsjekkoslovakia og i Belgisk Kongo. Bortsett fra Joachimstal var disse stedene i de alliertes hender. En undersøkelse fra november 1942 viste at det fantes tilstrekkelige mengder uran til å dekke prosjektets behov. Nichols sørget i samarbeid med det amerikanske utenriksdepartementet for at det ble innført eksportkontroll på uranoksid og forhandlet med Belgisk Kongo om kjøp av 1 200 tonn uranmalm som ble oppbevart på et lager i Staten Island. Han forhandlet med Eldorado Gold Mines om kjøp av malm fra gruven i Port Hope i Ontario og transport på mengder på 100 tonn. Den canadiske regjeringen kjøpte senere selskapets aksjer helt til de nådde en bestemt innflytelse.
De største forekomstene av uranmalm fantes i Shinkolobwe-gruven i Belgisk Kongo, men denne var oversvømt og stengt. Nichols forsøkte forgjeves sammen med Edgar Sengier, direktøren for selskapet som eide gruven (Union Minière du Haut Katanga), å få forhandlet frem en gjenåpning av gruven. Saken ble heretter tatt opp av Combined Policy Committee. Siden 30 % av Union Minières aksjer var eid av britiske interesser, tok britene føringen i forhandlingene. John Anderson og ambassadør John Winant inngikk i mai 1944 en avtale med Sengier og den belgiske regjeringen om at gruven skulle gjeåpnes og at det skulle leveres 1 720 tonn med malm. For å unngå å være avhengige av britiske og canadiske kilder, sørget Groves også for å kjøpe US Vanadium Corporations lager i Uravan i Colorado. Uranutvinningen i Colorado ga rundt 800 tonn med malm.
Mallinckrodt Incorporated i St. Louis i Missouri tok malmen og løste den opp i salpetersyre for å få uranylnitrat. Deretter ble det tilsatt eter i en væske-væske-ekstraksjonsprosess for å fjerne urenheter fra uranylnitratet. Det ble videre varmet opp for å danne urantrioksid som ble redusert til svært rent urandioksid. Fra juli 1942 fremstilte Mallinckrodt  ett tonn svært rent uranoksid om dagen, men det viste seg i starten å være svært vanskelig å omdanne det til uranmetall for underleverandørene Westinghouse Electric og Metal Hydrides. Produksjonen gikk for sakte og kvaliteten var uakseptabelt lav. En egen avdeling av Mettallurgical Laboratory ble etablert ved Iowa State College i Arnes i Iowa for undersøkelse av alternative metoder. Denne avdelingen ble ledet av Frank Spedding, og i 1943 fikk de til en brukbar metode kalt Amesprosess.

Isotopadskillelse

Naturlig uran består av 99,3 % uran-238 og 0,7 % uran-235, men det er kun det siste som kan spaltes. Det kjemisk identiske uran-235 må fysisk adskilles fra den mer rikelige isotopen. Forskjellige metoder ble vurdert for anriking av uran, noe som fortrinnsvis foregikk ved Oak Ridge.
Den mest opplagte metoden, sentrifugering, slo feil, men elektromagnetisk, gass- og termodiffusjon fungerte alle og ble benyttet i prosjektet. I februar 1943 foreslo Groves at man skulle bruke det som var kommet ut av et anlegg som input i andre anlegg.

Sentrifuger

I april 1942 anså man sentrifugeringsprosessen for å være den eneste lovende adskillelsesmetoden. Jesse Beams hadde utviklet en slik prosess på University of Virginia på 1930-tallet, men hadde støtt på tekniske problemer. Metoden krevde en rotasjonshastighet, men ved bestemte hastigheter opptrådte det harmoniske vibrasjoner som truet med å ødelegge maskinen. Det var derfor nødvendig å akselerere raskt gjennom disse hastighetene. I 1941 begynte han å jobbe med uranheksafluorid, den eneste kjente gassen som inneholdt uran og kunne skille ut uran-235 Ved University of Columbia ba Urey Cohen om å undersøke prosessen, og han kom frem med en matematisk teori som gjorde det mulig å bygge en separasjonssentrifuge.  Westinghouse påtok seg å bygge denne. 
Oppskaleringen av dette produksjonsanlegget var en enorm teknisk utfordring. Urey og Cohen beregnet at for å fremstille én kilo med uran-235 ville det kreve opp mot 50 000 sentrifuger med rotorer på 1 m eller 10 000 sentrifuger med rotorer på 4 m  (forutsatt at en 4 m bred rotor kunne bygges. Utsiktene med å holde så mange rotorer i gang hele tiden, og med så høy hastighet, virket overveldende, og da Beams brukte sitt forsøksanlegg fikk han kun 60 % av den beregnede mengden, noe som antydet at det ville bli behov for enda flere sentrifuger. Beams, Urey og Cohen begynte deretter å arbeide med en rekke forbedringer som skulle øke effekten i prosessen, men hyppige problemer med motorer, aksler og bæresystemer ved høy hastighet førte til forsinkelser i arbeidet på pilotanlegget. I november 1942 ble sentrifugeringsprosessen gitt opp av Military Policy Committee etter innstilling fra Conant, Nichols og August C. Klein fra Stone & Webster.

Elektromagnetisk separering

Elektromagnetisk separering av isotoper ble utviklet av Lawrence ved University of California Radiation Laboratory. Denne metoden involverte bruken av utstyr som ble kalt calutroner, en hybrid mellom et alminnelig massespektrometer og en syklotron. Navnet var avledet fra ordene California university cyclotron. Ved den elektromagnetiske prosessen bøyde et magnetfelt ladde partikler i forhold til partiklenes masse. Prosessen var hverken spesielt elegant eller effektiv. Sammenlignet med et anlegg med gassdiffusjon eller en atomreaktor, brukte elektromagnetisk separasjon langt flere sjeldne mineraler og krevde mer arbeidskraft til drift, og det var dyrere å bygge. Til tross for dette ble metoden godkjent fordi den var basert på en kjent teknologi, og dermed mindre risikabel. Dessuten kunne den bygges opp trinnvis og raskt nå en industriell størrelse.
Marshall og Nichols fant ut at en elektromagnetisk separasjon ville kreve 5 000 tonn kobber, noe det var stor mangel på. Man kunne imidlertid bruke sølv i stedet i et forhold på 11:10. 3. august 1942 møtte Nichols visefinansminister Daniel W. Bell og bad om å få overført 6 000 tonn sølv fra lageret i West Point.«Unge mann», svarte Bell, «De kan tenke på sølv i tonn, men for finansdepartementet vil det alltid dreie seg om sølv i troy ounces!» Til slutt ble det brukt 14 700 tonn sølv.
De 31 kg tunge sølvbarrene ble smeltet om til sylindriske blokker og send til Phelps Dodge i Bayway i New Jersey hvor de ble omarbeidet til strimler som var 15,9 mm tykke, 76 mm brede og 12 m lange. De ble viklet til magnetiske spoler av Allis Chalmers i Milwaukee i Wisconsin. Etter krigen ble alt av maskineri demontert og renset, og gulvet under maskinene ble tatt opp og brent for å gjenvinne mengder av sølv. Det endte til slutt med at kun 4 kg gikk tapt. Det siste av sølvet ble returnert i mai 1970.
Ansvaret for utformingen og byggingen av det elektromagnetiske separasjonsanlegget, kalt «Y-12», ble gitt til Stone & Webster av S-1-komitéen i juni 1942. Anlegget kom til å bestå av fem 1. trinns produksjonsenheter kalt Alpha-racerbaner, og to enheter til å avslutte behandlingen, kalt Beta racerbaner. I september 1943 godkjente Groves byggingen av ytterligere fire racerbaner kalt Alpha II. Byggingen startet i februar 1943.
Da anlegget etter planen ble prøvestartet i oktober, ble de 14 tonn tunge vakuumtankene dreid på grunn av styrken i magnetene og de måtte forankres på nytt. Et mer alvorlig problem oppstod da de magnetiske spolene begynte å kortslutte. I desember ga Groves ordre om at en spole skulle åpnes, og man fant en håndfull av rust inni. Groves beordret deretter at racerbanene skulle tas ned og magnetene sendes tilbake til fabrikken for og renses. Det ble også bygget et renseanlegg på stedet for å kunne rense rør og samlinger. Den andre Alpha I kunne først tas i drift mot slutten av januar 1944. Den første Beta og den første og tredje Alpha I anlegget ble startet i mars, og den fjerde Alpha I ble satt i drift i april. De fire Alpha II-racerbanene ble ferdige mellom juli og oktober 1944.
Tennessee Eastman ble engasjert til å drive Y-12-anlegget til de sedvanlige omkostningene-pluss-fast-beløp-betingelsene, hvor det faste beløpet var på 22 500 dollar i måneden i tillegg til 7 500 dollar for racerbane ved de fire første og deretter 4 000 dollar for hver ytterligere racerbane. Calutroner ble opprinnelig betjent av forskere fra Berkeley for å få fjernet feil og oppnå en rimelig produksjonsrate. De ble heretter overlatt til operatører utdannet av Tennessee Eastman, og som kun hadde utdannelse fra gymnaset. Nichols sammenlignet produksjonsdataene og påpekte ovenfor Lawrence at de unge «hillbilly»-pikene klarte seg bedre enn hans doktorer. De ble enige om lage et veddemål om produksjonen, og Lawrence tapte. Dette ga en moralsk ryggstøtte for arbeiderne og formennene fra Tennessee Eastman. Pikene ble «utdannet som soldater til ikke å spekulere i hvorfor», mens «vitenskapsfolkene ikke kunne la vær med å gjennomføre tidskrevende undersøkelser av årsakene til mindre utsving på målerne».
I starten anriket Y-12 uran-235 innholdet til 13–15 % og sendte de første få hundre gram med dette til Los Alamos i mars 1944. Kun 1/5 825-del med uran som ble sendt inn i prosessen kom ut som et sluttprodukt. En stor del av restene ble spedt ut over utstyret under prosessen. Etter skikkelige forbedringsforsøk lyktes de i å få produksjonen opp til 10 % av den tilførte uran-235 i januar 1945. I februar begynte Alpha-racerbanene å motta lettere anriket (1,4 %) råmateriale fra det nye termodiffusjonsanlegget S-50. Den følgende måneden fikk den beriket (5 %) råmateriale fra gassdiffusjonsanlegget K-25. I april produserte K-25 uran, som var tilstrekkelig anriket til at det kunne brukes direkte i Beta-racerbanene.

Gasdiffusion

Den mest lovende, men også mest utfordrende metoden for separasjon av isotoper var gassdiffusjon. Grahams lov sier at graden av lekkasje av gass er omvendt proporsjonalt med kvadratroten av molekylvekten, så i en boks med en halv-gjennomtrengelig membran og en blanding av to gasser, vil de lettere molekylene passere ut av beholderen raskere enn de tunge molekylene. Den gassen som kommer ut av beholderen har blitt noe anriket, mens den resterende gassen har blitt noe utarmet. Tanken var at en rekke kasser kunne stilles opp som i en serie av pumper og membraner slik at gassen etter hvert trinn ble en smule mer anriket. Forskning i prosessen ble utført ved Columbia University av en gruppe som omfattet Harold Urey, Karl P. Cohen og John R. Dunning.
I november 1942 godkjente den militærpolitiske komite byggingen av et gassdiffusjonsanlegg bestående av 600 trinn. 14. desember aksepterte M.W. Kellogg et tilbud på å bygge anlegget som fikk kodenavnet K-25. En kontrakt som endte på 2,5 millioner ble forhandlet på plass. Et eget selskap med navn Kellex ble grunnlagt til prosjektet, og hadde Percival C. Keith, en av Kellogs' visepresidenter, som leder. Prosessen stod ovenfor enorme tekniske vanskeligheter. Den sterk etsende gassen uranheksafluorid måtte brukes siden man ikke hadde funnet andre alternativ, og motorer og pumper måtte være 100 % tettet og omgitt av edelgass.
Det største problemet var utformingen av barrieren som skulle være sterk, porøs og motstandsdyktig mot korrosjon fra uranheksafluorid. Det beste valget syntes å være nikkel. Edward Adler og Edward Norris lagde et trådnett av forsølvet nikkel. Et sekstrinns forsøksanlegg ble bygget på Columbia for å teste ut prosessen, men Norris-Adler-prototypen viste seg å være for dårlig. Kellex, Bell Telephone Laboratories og Bakelite Corporation fremstilt fremstilte et nytt trådnett av pudret nikkel. I januar 1944 beordret Groves Kellex-barrieren satt i produksjon.
Kellex' utforming av K-25 bestod av en fire-etasjes 800 meter lang U-formet struktur, som bestod av 54 sammenhengende bygninger. Disse var videre delt opp i ni seksjoner. Innenfor disse var det celler i seks trinn. Cellene kunne styres uavhengig av hverandre, eller i sammenheng innenfor en seksjon. Likeledes kunne seksjonene styres selvstendig eller som en del av en serie. Landmålere begynte byggingen med å stikke ut det 200 ha store området i mai 1943.
Arbeidet på hovedbygningen startet i oktober 1943, og sekstrinns-pilotanlegget var allerede klar til drift 17. april 1944. I 1945 sløyfet Groves de øvre trinnet i anlegget og gav Kellex beskjed om å i stedet utforme og bygge et 540-trinns sideforsyningsanlegg som fikk betegnelsen 1944. Kellex overdro den siste enheten til operatøren Union Carbide and Carbon 11. september 1945. De samlede omkostningene, inklusive K-27 som ble ferdig etter krigen, ble på 480 millioner dollar.
Produksjonsanlegget kom i drift i februar, og etter hvert som serie etter serie kom i gang steg kvaliteten på produktet. I april 1945 var K-25 kommet opp til en anrikelse på 1,1 % og det ferdige produktet fra termodiffusjonsanlegget S-50 begynte å bli brukt som råvare. Noen av produktene som ble fremstilt den følgende måneden nådde opp til nesten 7 % anrikelse. I august ble de siste av de 2 892 trinnene tatt i bruk. K-25 og K-27 nådde opp til sine fulle potensial i tiden kort tid etter krigen, og de virket bedre enn andre produksjonsanlegg. De ble også prototyper for en ny generasjon av anlegg.

Termodiffusjon

Prosessen med termodiffusjon var basert på Sydney Chapman og David Enskogs teori, som gikk ut på at når man blandet gass utsatt for et temperaturfall, vil den tyngste av gassene samle seg i den kalde enden og den letteste i den varme delen. Siden varme gasser har tendens til å stige oppover, mens kalde synker nedover, kan dette utnyttes som en metode for separering av isotoper. Denne prosessen ble demonstrert av H. Clusius og G. Dickel i Tyskland i 1938. Den ble utviklet av forskere i den amerikanske marinen, men det var ikke en av de metodene for anrikelse man opprinnelig hadde valgt ut til Manhattanprosjektet. Det skyldtes først og fremst at man var i tvil om hvorvidt den teknisk sett ville fungere, men rivaliseringen mellom hæren og marinen spilte også en rolle.
Naval Research Laboratory fortsatte forskningen på metoden under ledelese av Philip Abelson, men det var ikke mye kontakt med Manhattanprosjektet før i april 1944, da kommandør William S. Parsons, marineoffiseren som hadde ansvaret for utviklingen av våpen i Los Alamos, fortalte Oppenheimer nyheter om et oppmuntrende fremskritt i marinens eksperimenter med termodiffusjon. Oppenheimer skrev til Groves og forelso at sluttproduktet fra termodiffusjonsanlegg kunne brukes som input til Y-12. Groves nedsatte et utvalg bestående av Warren K. Lewis, Eger Murphree og Richard Tolman som skulle undersøke ideen. De vurderte at et termodiffusjonsanlegg til en pris av 3,5 millioner dollar kunne anrike 50 kg uran i uken til nesten 0,9 % uran-235. Groves godkjente byggingen 24. juni 1944.
Groves inngikk kontrakt med H. K. Ferguson Company fra Cleveland i Ohio om byggingen av termodiffusjonsanlegget S-50. Groves' rådgivere, Karl Cohen og W.I. Thompson fra Standard Oil, vurderte at det ville ta seks måneder å bygge. Groves ga Ferguson kun fire måneder. Planene gikk ut på å installere 2 142 stk 14,6 m høye diffusjonskolonner plassert i 21 stativer. I hver kolonne var det tre konsentriske rør. Damp, som man fikk fra det nærliggende kraftverket, med et trykk på 6,9 bar og en temperatur på 285 °C strømmet nedover gjennom det innerste røret av nikkel og med en diameter på 31,7 mm. Samtidig strømmet det vann med en temperatur på 68 °C opp gjennom de ytterste jernrørene. Isotopseparasjonen fant sted i uranhexafluoridgassen som befant seg mellom nikkelrøret og et kobberrør.
Arbeidet begynte 9. juli 1944, og S-50 ble delvis tatt i bruk i september. Ferguson drev anlegget gjennom datterselskapet Fercleve. Anlegget fremstilte kun 5 kg med 0,852 % uran-235 i oktober. Utettheter begrenset produksjonen og førte til avbrytelser de neste månedene, men i juni 1945 produserte anlegget 5 774 kg. Fra mars 1945 var alle 21 produksjonsstativene i gang. Opprinnelig ble uranen fra S-50 matet inn i Y-12, men fra mars 1945 ble alle tre anleggene for anrikelse brukt i en serie. S-50 var det første trinnet, som anriket fra 0,71–0,89 %. Dette materialet ble viderebehandlet med en gassdiffusjon i K-25-anlegget, hvor produktet ble anriket til rundt 23 %. Deretter ble produktet matet inn i Y-12 for anrikelse til rundt 89 %, noe som var tilstrekkelig for bruk i atomvåpen.

Bombe uformet som en kanon

Omkring 50 kg uran anriket til 89 % uran-235 ble levert til Los Alamos i juli 1945. Dette ble brukt til å skape en bombe av kanonmodellen. Den fungerte ved at to subkritiske uran-235-masser mekanisk ble forent til én kritisk masse – en «kule» og et «mål». Når de to støtte sammen, skulle en polonium-beryllium-initiator sende ut en sverm av nøytroner som ville utløse en kjedereaksjon i uranen. Formen på den kritiske massen var avgjørende for hvor mye av det spaltbare materialet som rakk å reagere i intervallet mellom samling og spredning, og dermed kraften av bomben. Selv om bare 1 % av det spaltbare materialet rakk å reagere, ville det resultere i en fungerende bombe med en kraft tilsvarende tusener av tonn TNT. En dårlig utforming eller en langsom samling ville gitt tilstrekkelig energi til raskt å spre den kritiske massen, og sprengkraften ville blitt kraftig forminsket, tilsvarende kun noen få tonn med sprengstoff. Man visste at bombens utforming ikke var effektiv og hadde en tendens til å gå av med et uhell.
Utviklingsinnsatsen på denne typen våpen ble utført i Los Alamos av Parsons' O Division. Orlogskaptein A. Francis Birchs gruppe ferdigstilte utformingen som ble til «Little Boy» i februar 1945. På det tidspunktet fantes det ingen uran tilgjengelig til en test. «Little Boy» inneholdt alt av 89 % anriket uran-235 som fantes, i tillegg til noe som var 50 % andriket, noe som i snitt ga omtrent 85 % anriket. Det ble vurdert at det var så stor sannsynlighet for at denne typen bombe ville fungere at det ikke ble ansett som nødvendig å gjennomføre en prøvesprengning. Det ble imidlertid gjennomført omfattende tester i laboratoriet for å forsikre seg om at de grunnleggende antagelsene var riktige.

Plutonium

Den andre utviklingslinjen gjennomført i Manhattanprosjektet brukte det spaltbare grunnstoffet plutonium. Selv om det finnes små mengder plutonium i naturen, er den enkleste måten å få store mengder av stoffet å bruke en atomreaktor hvor naturlig forekommende uran bombarderes med nøytroner. Uran-238 blir omdannet til uran-239 som raskt henfaller, først til neptunium-239 og deretter til plutonium-239. Kun en liten del av det opprinnelige uranet-238 blir omdannet, så plutoniumet må kjemisk separeres fra uran, opprinnelige urenheter og fisjonsprodukter.

X-10-grafittreaktoren

I mars 1943 begynte DuPont byggingen av et plutoniumanlegg på et 45 ha stort areal i Oak Ridge. Etter planen skulle anlegget være et testanlegg for de større produksjonsanleggene i Hanford. Anlegget inneholdt den luftkjølte grafittreaktoren X-10, et kjemisk separasjonsanlegg i tillegg til støttefasiliteter. På grunn av de senere beslutningene om å bygge vannkjølte reaktorer ved Hanford, var det kun det kjemiske separasjonsanlegget som fungerte som et testanlegg. X-10-reaktoren bestod av en stor klump med grafitt, som var 7,2 m bred og høy, og veide rundt 1 500 tonn og var omgitt av en 2,1 m tykt betongskall som et skjold mot radioaktiviteten.
De største problemene på anlegget var med uranstavene, som var fremstilt av Malinckrodt and Metal Hydrides. De skulle på en eller annen måte innkapsles i aluminium for å forhindre korrosjon og for å unngå at rester etter fisjonen kom ut i kjølesystemet. Grasselli Chemical Company forsøkte forgjeves å utvikle en varm dyppeprosess. I mellomtiden forsøkte Alcoa seg med å sette dem i kasser. En ny sveiseprosess, som ikke benyttet fluksmiddel, ble utviklet, og 97 % av kannene bestod en standard vakuumtest. Med høye temperaturer antydet imidlertid tester at over 50 % ville gå i stykker. Til tross for dette ble produksjonen satt i gang i juni 1943. Til slutt utviklet Metallurgical Laboratory en forbedret sveiseteknikk med hjelp fra General Electric. Denne ble tatt i bruk i oktober 1943.
Under oppsyn av Fermi og Compton ble X-10-anlegget gjort kritisk 4. november, med ca. 30 tonn uran. En uke senere ble belastningen økt til 36 tonn, noe som økte elproduksjonen til 500 kW, og i slutten av måneden var de første 500 mg med plutonium skapt. Endringer i tidens løp økte elproduksjonen til 4 MW i juli 1944. X-10 fungerte som et produksjonsanlegg frem til januar 1945 da det gikk over til forskningsaktiviteter.

Hanfordreaktorene

Selv om det ble valgt en luftkjølt utformingen av reaktoren i Oak Ridge for å gjøre det mulig å bygge raskt, var det klart at det ikke ville være hensiktsmessig ved de langt større produksjonsreaktorene. De opprinnelige planene fra metallaboratoriet og DuPont benyttet helium som kjølemiddel, men det ble besluttet å gå for vannkjøling fordi det ville være enklere, billigere og raskere å bygge. Tegningene var først klare 4. oktober 1943. I mellomtiden konsentrerte Matthias seg om å forbedre området i Hanford ved å bygge boliger, forbedre veiene, bygge en jernbane og bygge ut kapasiteten på el, vann og telefonlinjer.
Akkurat som ved Oak Ridge oppstod de største problemene ved innkapslingen av uranstavene, som ble startet i Hanford i mars 1944. Disse ble pikket for å fjerne skitt og urenheter, dyppet i smeltet bronse, tinn, silumin, fylt i staver ved hjelp av hydrauliske presser og deretter lukket inne ved hjelp av buesveising i en argonatmosfære. Til slutt gjennomgikk de en rekke tester for å avsløre hull eller dårlige sveiser. Skuffende nok bestod de fleste stavene ikke testene i starten, noe som betød at man kun fikk laget en håndfull staver om dagen. Det skjedde imidlertid stadige fremskritt, og i juni 1944 hadde produksjonen vokst til et punkt hvor det så ut til at det var nok staver til at man kunne starte B-reaktoren som planlagt i august 1944.
Arbeidet med B-reaktoren, som var den første av seks planlagte reaktorer på 250 MW, ble startet opp 10. oktober 1943.  Reaktorene fikk bokstaver fra A–F, hvor B, D og F var de som skulle bygges først da det da ble størst avstand mellom reaktorene. De ble de eneste som ble bygget i forbindelse med Manhattanprosjektet. Rundt 390 tonn stål, 13 300m³ betong, 50 000 betongblokker og 71 000 betongmurstein gikk med til byggingen av den 36 m høye bygningen. Byggingen av selve reaktoren begynte i februar 1944. Under oppsyn av Compton, Matthias, DuPonts Crawford Greenwalt, Leona Woods og Fermi, som forøvrig satte inn den første staven, ble reaktoren startet 13. september 1944. I løpet av de neste dagene ble 838 uranstaver ført inn og reaktoren ble kritisk. Kort tid etter midnatt 27. september begynte operatørene å fjerne kontrollstavene for å innlede produksjonen. I starten fungerte tilsynelatende alt slik det skulle, men rundt klokka tre begynte effekten å falle, og klokken halv syv på morgenen hadde reaktoren gått i stå. Kjølevannet ble undersøkt for å se om den var lekk eller om der fantes forurensing. Neste dag ble reaktoren startet opp igjen, bare for å igjen gå i stå.
Fermi kontaktet Chien-Shiung Wi, som fant ut at årsaken til problemet var nøytronforgiftning fra xenon-135, som har en halveringstid på 9,2 timer. Fermi, Woods, Donald J. Hughes og John Archibald Wheeler beregnet deretter at xenon-135 absorberte 30 000 flere nøytroner enn uran. Heldigvis hadde DuPont-ingeniøren George Graves avveket fra metallaboratoriets opprinnelige tegning, hvor reaktoren hadde 1 500 rør i en sirkel, og tilføyd ytterligere 504 rør for å fylle ut hjørnene. Vitenskapsfolkene hadde opprinnelig betraktet disse ekstra rørene som bortkastet tid og penger, men Fermi innså at ved å fylle alle 2 004 rørene med uran, ville reaktoren komme opp på den nødvendige effekten og produsere plutonium effektivt. D-reaktoren ble startet opp 17. desember og F-reaktoren 25. februar 1945.

Separasjonsprosessen

I mellomtiden vurderte kjemikerne problemet med hvordan plutonium kunne separeres fra uran når dets kjemiske egenskaper ikke var kjent. Mens de arbeidet med bittesmå mengder plutonium, som var til rådighet på metallaboratoriet i 1942, utviklet en annen gruppe under Charles M. Cooper en lantan-fluorid-prosess for separering av uran og plutonium. Denne ble bestemt utprøvd på forsøksanlegget. En annen separasjonsprosess – vismutfosfat-prosessen – ble senere utviklet av Seaborg og Stably G. Thomson. Denne prosessen fungerte ved å få plutonium til å veksle mellom oksidasjonstallene +4 og +6 i oppløsninger av vismutfosfat. I den første tilstanden ble plutonium til bunnfall, mens det i den siste tilstanden forble i oppløsningen og de andre produktene ble bunnfall.
Greenewalt foretrakk vismut-forsfat-prosessen fordi lantan-fluorid-prosessen var korroderende og den ble valgt til Hanford-anleggene. Da X-10 begynte å produsere plutonium, ble forsøksanlegget satt på prøve. Den første andelen ga en effektivitet på 40 %, men i løpet av de neste månedene vokste effektiviteten til 90 %.
I Hanford ble det i starten gitt høyeste prioritet til installasjoner i 300 områder. Disse rommet bygninger til testmaterialer, forberederelse av uran og samling- og kalibreringsinstrumenter. En av bygningene rommet utstyr til innkapsling av uranstaver, mens en annen inneholdt den lille testreaktoren. Selv om det hadde fått høyeste prioritet, sakket arbeidet i 300-området etter på grunn av det enestående og komplekse forhold rundt områdets fasiliteter i krigstidens mangel på arbeidskraft og materialer.
Tidlige planer inneholdt bygging av to separasjonsanlegg, et i hvert av områdene 200-West og 200-East. Dette ble senere skåret ned til to anlegg i 200-West – T- og U-anleggene – og et i 200-East – B-anlegget. Hvert separasjonsanlegg bestod av fire bygninger med prosessceller eller «canyon» (kalt 221), en konsentrasjonsbygning (224), en renseanlegg (231) og et lager (213). En canyon var 240 meter lang og 20 meter bred. Hver bestod av 40 celler som var 5,4×4×6 m store.
Arbeidet på 221-T og 221-U begynte i januar 1944 og sto ferdige i henholdsvis september og desember samme år. 221-B fulgte i mars 1945. På grunn av det høye strålingsnivået måtte alt av arbeid i separasjonsanlegget foregå ved hjelp av fjernstyring og fjernsyn, noe som var helt nytt i 1943. Vedlikeholdet ble utført med hjelp av en kran i taket og spesielt utformet verktøy. 224-bygningen var mindre fordi de hadde mindre materialmengder å behandle, og det var mindre radioaktivt. 224-T og 224-U ble ferdige 8. oktober 1944, mens 224-B ble ferdig 10. februar 1945. Rensemetodene, som til slutt ble brukt i 231-W, var ikke kjent da byggingen startet 8. april, men fabrikken ble ferdig og metodene valgt ved årets slutt. 5. februar 1945 overdro Matthias personlig den første forsendelsen på 80 gram 95 % rent plutoniumnitrat til en kurer fra Los Alamos i Los Angeles.

Våpenutforming

I 1943 ble utviklingsinnsatsen rettet mot en fisjonsbombe av kanontypen med plutonium, kalt Thin Man. Den innledende forskningen i plutoniumets egenskaper ble utført med plutonium-239 som var fremskaffet med syklotroner. Det var ekstremt rent, men kunne kun fremstilles i meget små mengder. Laboratoriet i Los Alamos fikk den første prøven av plutonium fra X-10-reaktoren i april 1944, og i løpet av få dager oppdaget Emilio Segrè et problem: plutoniumet fra reaktoren hadde et høyere innhold av plutonium-240, noe som resulterte i en opp til fem gagner høyere spontan fisjonsrate enn plutonium fra syklotronen. Seaborg hadde i mars 1943 korrekt forutsagt at noe plutonium-239 ville oppta et nøytron og bli plutonium-240.
Dette gjorde plutonium fra reaktorer ubrukelig til bruk i bomber av kanontypen. Plutonium-240 ville utløse kjedereaksjonen for raskt og føre til en for-detonasjon, som nok ville spre bombematerialet, men ikke utløse en egentlig atomeksplosjon. Det ble foreslått å lage en raskere kanon, men det viste seg at det ikke kunne la seg gjøre. Muligheten for å separere isotopene ble overveid, men avvist da det var enda vanskeligere å separere plutonium-240 fra plutonium-239 enn uran-235 fra uran-238.
Arbeidet med en annen bombetype – en implosjonsbombe – ble påbegynt tidligere etter tilskyndelse fra fysikeren Seth Neddermeyer. Ved implosjon brukte man sprengstoff til å presse en kule av fissilt materiale, som ikke hadde en kritisk masse, sammen til en mindre kule med større tetthet. Når de spaltbare atomene ble pakket tettere sammen, steg antallet nøytronkollisjoner og massen ble kritisk. Metallet skulle bevege seg svært kort, så den kritiske massen ble nådd raskere enn ved kanonmetoden. Neddermeyers' undersøkelser av implosjonsmetoden i 1943 og 1944 viste seg lovende, men viste også at problemet ville være langt vanskeligere fra en teoretisk og ingeniørmessig synsvinkel enn kanonmetoden. I september 1943 anførte John von Neumann, som hadde erfaring med hulladninger som ble anvendt i panserbrytende granater, at ikke bare ville implosjonen minske faren for forsprengning, men den ville også bety en mer effektiv anvendelse av det spaltbare materialet. Han foreslo at de ble brukt en rund ladning i stedet for en sylindrisk som den Neddermeyer arbeidet med.
I juli 1944 hadde Oppenheimer konkludert med at plutonium ikke kunne brukes i en bombe av kanontypen, og foretrakk i stedet en implosjonsbombe. Den fremskyndete innsatsen med å bygge en implosjonsbombe, som fikk kodenavnet «Fat Man», ble påbegynt i august 1944 da Oppenheimer gjennomførte en omfattende reorganisering av Los Alamos-laboratoriet slik at det kunne fokusere på implosjon. To nye grupper ble dannet ved Los Alamos for å utvikle impolosjonsbomben – X-divisjonen (X for eksplosiver) under George Kistiakowsky og G-divisjonen (G for gadget) under Robert Bacher. Det nye designet som von Neumann og T-divisjonen (T for teoretisk), og spesielt Rudolf Peierls hadde kommet med, brukte en linseformet sprengladning til å fokusere eksplosjonen til en kule ved hjelp av en blanding av langsomt og hurtigvirkende sprengstoff.
Utformingen av linser som sprengte med nøyaktig riktig form og hastighet viste seg å være et langsomt, vanskelig og frustrerende arbeid. Forskjellige sprengstoff ble prøvd før man valgte composition B rom raskt og baratol som langsomt sprengstoff. Den endelige utformingen lignet en fotball med 20 heksagonale og 12 pentagonale linser som hver veide rundt 36 kg. For å få eksplosjonen helt riktig, hadde man bruk for pålitelige og sikre elektriske detonatorer som det var to av til hver linse for å sikre påliteligheten. Det ble derfor besluttet å bruke såkalte exploding-bridgewire-detonatorer. En kontrakt på fremstillingen av disse ble gitt til Raytheon. For å undersøke adferden av konvergerende trykkbølger tenkte Serber ut RaLa-eksperimentet, som brukte den kortlevde radioisotopen lantan-140 – en kraftig kilde til gammastråling – i et ioniseringskammer.
Innenfor sprengstoffene var det en 11 cm tykke aluminiumsskyver som dannet en bløt overgang mellom det forholdsvis lavt komprimerte sprengstoffet og den 7,5 cm tykke kappen av naturlig uran. Hovedoppgaven til denne skyveren var å holde den kritiske massen samlet så lenge som mulig. I tillegg skulle den også reflektere nøytroner tilbake i kjernen. Noe av det kunne også bli spaltet. For å forhindre en forsprengning ved at et nøytron trengte inn utenfra, var kappen dekket av et tynt lag med bor. En modulert nøytroninitiator av polonoium-beryllium, kjent som et «sjøpiggsvin» (urchin) fordi formen lignet på et, ble utviklet av Monsanto Company til å sette i gang kjedereaksjonen på nøyaktig riktig tidspunkt. Dette arbeidet med radioaktivt poloniums kjemi og metallurgi ble ledet av Charles Allen Thomas og ble kjent som Dayton-prosjektet. Utprøvingen krevde opp mot 500 curie polonium per måned, noe Monsanto kunne levere. Hele initiatoren ble bygget inn i et bombehylster av duraluminium for å beskytte mot prosjektiler og flak.
Metallurgenes siste oppgave var å regne ut hvordan de skulle forme plutonium til en kule. Vanskelighetene ble tydelige da forsøk på å måle tettheten av plutonium ga inkonsistente resultater. I begynnelsen trodde man at det skyldtes forurensing av materialet, men det ble raskt klart at det fantes forskjellige tilstandsformer. Den sprø α-fasen, som stoffet opptrer i ved romtemperatur, endrer seg til en plastisk β-fase ved høyere temperaturer. Oppmerksomheten forflyttet seg derfor til den enda mer formbare δ-fasen, som normalt opptrer mellom 300–450 °C. Det viste seg at det var stabilt ved romtemperatur hvis det ble legert med aluminium, men aluminium utstråler nøytroner når det blir bombardert med alfapartikler, noe som ville økt problemet med forsprengning. Metallurgene fant da en plutonium-gallium-legering som stabiliserte δ-fasen og kunne varmepresses til den ønskede kuleformen. Da det viste seg at plutonium lett korroderte, ble kulen påført et lag av nikkel.
Arbeidet viste seg å være farlig. Ved årets slutt hadde halvparten av de eksperimentelle kjemikerne og metallurger måttet fjernes fra arbeidet med plutonium da det oppstod uakseptable mengder av grunnstoffet i urinen deres. En liten brann i Los Alamos i januar 1945 førte til frykt for at en brann i plutoniumlaboratoriet kunne forurense hele byen, og Groves ga tillatelse til oppføring av en ny fasilitet til plutoniumkjemi og metallurgi. Dette stedet ble siden kjent som DP-site (flyktningsenteret). Halvkulene til den første plutoniumkjernen ble fremstilt og levert 2. juli 1945. Ytterligere tre halvkuler fulgte 23. juli og ble levert tre dager senere.

Trinity

Siden implosjonsbomben var et så komplisert våpen, ble det bestemt at selv om det betød tap av spaltbart materiale, var det nødvendig med en prøvesprengning. Groves godkjente testen under forutsetning av at det spaltbare materialet kunne samles inn igjen. Det var derfor tanken at bomben skulle være en fuser, men Oppenheimer valgte i stedet å foreta en ordentlig prøvesprengning. Denne fikk navnet «Trinity».
I mars 1944 ble planleggingen av testen overlatt til Kenneth Bainbridge, en fysikkprofessor fra Harvard som arbeidet under Kistiakovsky. Bainbridge valgte bombefeltet nær Alamogordo Army Airfield som stedet hvor testen skule foregå. Bainbridge arbeidet sammen med kaptein Samuel P. Davalos med etableringen av Trinity Base Camp og dens fasiliteter, som omfatter barakker, lagre, verksteder, en sprengstoffmaskin og en kommissær.
Groves var ikke glad for utsikten til å skulle forklare en senatskomite at plutonium til en verdi av 1 milliarder dollar hadde gått tapt, så det ble bygget en sylindrisk oppsamlingsbeholder med kodenavn «Jumbo» som skulle samle opp det radioaktive materiale i tilfelle prøvesprengningen gikk feil. Beholderen var 7,5 m lang og 3,6 bred, og ble fremstilt i dyre dommer av 217 tonn jern og stål av Babcock & Wilcox i Barberton i Ohio.
Beholderen ble fraktet i en spesiell jernbanevogn til et sidespor i Pope i New Mexico, hvorfra den ble transportert de siste 40 km på en blokkvogn trukket av to traktorer. Da den ankom, var tiltroen til implosjonsmetoden imidlertid tilstrekkelig høy og det var tilstrekkelig med plutonium til rådighet til at Oppenheimer besluttet å ikke bruke den. I stedet ble den plassert i toppen av et ståltårn, 725 m fra eksplosjonsstedet som et grovt mål for hvor kraftig eksplosjon det var snakk om. Det endte med at Jumbo overlevde, men ikke tårnet, noe som bidro til at det ble spekulert i om Jumbo kunne ha holdt til en feilslått eksplosjon.
7. mai 1945 ble det gjennomført en sprengning for å kalibrere instrumentene. En plattform av tre ble ført opp 725 m fra sprengningsstedet og fylt med 100 tonn TNT pakket med radioaktivt materiale i form av radioaktiv uranstav fra Hanford. Denne ble løst opp og fylt på rør mellom sprengstoffet. Eksplosjonen ble iakttatt av Oppenheimer og Groves' nye nestkommanderende, brigadegeneral Thomas Farrell. Den forutgående testen ga data som viste seg å være av vital betydning for Trinityprøvesprengningen.
Til den endelige prøvesprengningen ble våpenet, som hadde fått navnet «the gadget», heist opp i toppen av et 30 m høyt ståltårn. Dette ble gjort fordi en detonasjon i denne høyden ville gi en bedre indikasjon på hvordan bomben ville oppføre seg når den ble sluppet fra et bombefly. Detonasjon i luften ville maksimere energien målet ble utsatt for og danne mindre radioaktivt nedfall. Bomben ble samlet under oppsyn av Norris Bradbury  i det nærliggende McDonald Ranch House 13. juli og forsiktig heist opp i tårnet dagen etter. Blant observatørene var Bush, Chadwick, Conant, Farrell, Fermi, Groves, Lawrence, Oppenheimer og Tolman. Klokken 05.30 om morgenen 16. juli ble «the gadget» detonert, og den hadde en styrke tilsvarende ca. 20 kilotonn TNT. Den etterlot seg et 75 m bredt krater med trinititt (radioaktivt glass) i ørkenen. Sjokkbølgen kunne merkes mer enn 160 km unna og en soppsky nådde opp til 12 km høyde. Smellet kunne høres helt til El Paso i Texas, så Groves sendte ut en dekkhistorie om at et ammunisjonslager hadde gått i luften ved Alamogordo Field.

Personell

I juni 1944 beskjeftiget Manhattanprosjektet ca. 129 000 personer, hvorav rundt 84 500 var bygningsarbeidere, 40 500 var ansatt til å drive anlegget mens 1 800 var militært personell. Etter hvert som byggeaktiviteten avtok, falt arbeidsstyrken til 100 000 rundt et år senere, samtidig hadde det militære personellet vokst til 5 600. Fremskaffelsen av det nødvendige antall arbeidere, spesielt høyt kvalifiserte arbeider, i konkurranse med andre livsviktige krigstidsprosjekter viste seg å være svært vanskelig. I 1943 fikk Groves en spesiell midlertidig prioritet på arbeidskraft fra War Manpower Commission. I mars 1944 ga i tillegg War Production Board som War Manpower Commission prosjektet den høyeste prioritet.
I deres rolle som prosjektets vitenskapelige rådgivere satte Tolman og Conant opp en liste over vitenskapelige kandidater og lot dem bli vurdert av vitenskapsfolk som alt var engasjert i prosjektet. Groves sendte deretter personlig brev til lederne ved deres universitet eller virksomhet med en anmodning om at de ble frigitt til viktig krigsarbeid. Ved University of Wisconsin–Madison ga Stanisław Ulam en av sine studenter, Joan Hinton, en tidlig eksamen slik at hun kunne komme avgårde for å utføre krigsarbeid. Noen få uker senere fikk Ulam et brev fra Hans Bethe hvor han ble invitert til å delta i prosjektet. Conant overtalte personlig eksperten innenfor sprengstoff, George Kistiakowsky, til å delta i prosjektet.
En kilde til kvalifisert arbeidskraft var hæren selv, spesielt Army Specialized Training Program. I 1943 etablerte Manhattan ingeniørdistrikt Special Engineer Detachment (SED), med en nominell styrke på 675 personer. Teknikere og faglærte arbeidere som ble innkalt til hæren ble tildelt SED. En annen kilde var Women's Army Corps (WAC). Opprinnelig var tanken at korpset skulle utføre sekretæroppgaver som angikk klassifisert materiale, men de ble raskt også tildelt tekniske og vitenskapelige oppgaver. 1. februar 1945 ble alt militært personell i Manhattan ingeniørdistrikt organisert i 9812th Technical Service Unit, bortsett fra de som holdt til ved Los Alamos, hvor alt annet en SED, herunder WAC og militærpoliti ble tildelt 4817th Sevice Command Unit.
En lektor i radiologi fra University of Rochester Scool of Medicine, Stafford L. Warren, ble utnevnt til oberst i United States Army Medical Corps, og ble utnevnt til leder for MEDs medisinske seksjon og medisinsk rådgiver for Groves. Warrens første oppgave bestod i å ansette personale til sykehusene i Oak Ridge, Richland og Los Alamos. Den medisinske seksjonen var ansvarlig for medisinsk forskning, men også for MEDs sunnhets- og sikkerhetsprogrammer. Dette utgjorde en enorm utfordring siden arbeiderne håndterte en rekke giftige kjemikalier, brukte farlige væsker og gasser under høyt trykk, arbeidet med høyspentledninger og utførte eksperimenter med sprengstoff, for ikke å snakke om stort sett ukjente farer i forbindelse med håndtering av spaltbart materiale. Likevel tildelte National Safety Council i desember 1945 Manhattanprosjektet sin ærespris for fremragende innsats innenfor sikkerhet som anerkjennelse av prestasjonene innen sikkerhet. Mellom januar 1943 og juni 1945 inntraff det 62 dødsfall og 3 879 invaliderende skader, noe som var rundt 60 % under nivået innenfor den private industrivirksomheten.

Sensur

Frivillig sensur av atomær informasjon begynte før Manhattanprosjektet. Etter starten av den europeiske krigen i 1939, begynte amerikanske forskere å unngå publiseringen av militærrelatert forskning, og i 1940 begynte vitenskapelige publikasjoner å be National Academy of Sciences om å slette artikler. William L. Laurence fra The New York Times, som skrev en artikkel om kjernefysisk fisjon for The Saturday Evening Post i september 1940 fant etter hvert ut at myndighetene ba bibliotekarer over hele landet om å trekke tilbake utgaven i 1943.
Manhattanprosjektet ble gjennomført under omfattende sikkerhetsforanstaltninger i frykt for at aksemaktene, spesielt Tyskland, ville intensivere sine egne atomprosjekter eller gjennomføre hemmelige operasjoner mot prosjektet hvis det ble kjent. Regjeringens sensurkontor, derimot, var avhengig av at pressen overholdt en frivillige retningslinjer for det som ble publisert, og prosjektet unngikk i å varsle kontoret i starten. Tidlig i 1943 begynte aviser å publisere rapporter om store konstruksjoner i Tennessee og Washington basert på tips fra folk, og sensurkontoret begynte å diskutere med prosjektet om hvordan de skulle opprettholde hemmeligholdet. I juni ba sensurkontoret avisene og kringkastere om å unngå å diskutere «atomknusing, atomenergi, atomfisjon, atomsplitting, eller noen av de ekvivalente. Radium eller radioaktive materialer til militære formål, tungtvann, høyspent, losseutstyr, syklotroner.» Kontoret ba de også om å unngå diskusjoner rundt «polonium, uranium, ytterbium, hafnium, protactinium, radium, rhenium, thorium, deuterium»; bare uranium var sensitivt, men ble listet sammen med andre grunnstoffer for å skjule viktigheten av det.

Sovjetisk spionasje

Frykten for sabotasje var alltid til stede, og når utstyr sviktet var det ofte en mistanke om at det var blitt sabotert. Mens det var noen problemer som antas å være forårsaket av skjødesløse eller utilfredse ansatte, var det ingen episoder hvor man med sikkerhet visste at det var snakk om sabotasje igangsatt av aksemaktene. En japansk ballong traff imidlertid en høyspentledning 10. mars 1945, og det følgende strømbruddet betydde at de tre reaktorene ved Hanford måtte stenges ned midlertidig.
Med så mange folk involvert var sikkerheten en stor utfordring. Det ble etablert en egen enhet for kontraspionasje som skulle ivareta prosjektets sikkerhetsforhold. Fra 1943 ble det klart at Sovjetunionen forsøkte å infiltrere prosjektet. Oberstløytnant Borris T. Pash, lederen av kontraspionasjen i Western Defens Command, undersøkte muligheten for sovjetisk spionasje på Radiation Laboratory i Berkeley. Oppenheimer meldte til Pash at han var blitt kontaktet av en professorkollega på Berkeley, Haakon Chevalier, om å videreformidle informasjon til Sovjetunionen.
Den mest suksessfulle sovjetiske spionen var Klaus Fuchs som tilhørte den britiske gruppen som spilte en viktig rolle i Los Alamos. Avsløringen i 1950 om Fuchs' spionasje gikk utover det amerikanske samarbeidet med Storbritannia og Canada. Senere ble også andre tilfeller av spionasje avdekket, noe som ført til arrestasjon av Harry Gold, David Greenglass samt Julius Rosenberg og Ethel Rosenberg. Andre spioner, slik som George Koval og Theodore Hall forble ukjente i flere tiår. Verdien av denne spionasjen er vanskelig å vurdere siden den viktigste begrensningen for det sovjetiske atombombeprosjektet var mangelen på uranmalm. Det er imidlertid enighet om at spionasjen sparte Sovjetunionen for 1–2 års arbeid.

Etterretningsarbeid

Utover å utvikle atombombene fikk Manhattanprosjektet i oppgave å samle inn etterretninger om Tysklands atomprogram. Man mente at Japans atomprogram ikke var så langt fremskredet fordi Japan ikke hadde tilgang til større mengder uranmalm, men i starten fryktet man at Tyskland var svært nær å utvikle egne atomvåpen. Etter oppdrag fra Manhattanprosjektet ble det gjennomført bombing og sabotasje mot tungtvannsanlegget i Vemork, som da var okkupert av tyskerne. En liten gruppe ble dannet med folk fra marinens etterretningstjeneste, Manhattanprosjektet og hærens etterretningstjeneste for å undersøke fiendens vitenskapelige fremskritt. Den var ikke begrenset til atomvåpen. Sjefen for hærens etterretningstjeneste, generalmajor George V. Strong, utpekte Boris Pash til å lede  enheten som fikk kodenavnet «Alsos», et gresk ord som betyr «grove».
Alsos-gruppen i Italia avhørte staben på det fysiske laboratoriet ved universitetet i Roma etter byens erobring i juni 1944. I mellomtiden dannet Pash et kombinert britisk og amerikansk Alsos-oppdrag i London under ledelse av kaptein Horace K. Calvert. Dette skulle inngå i Operasjon Overlord. Groves vurderte risikoen for at tyskerne kunne finne på å stoppe landsettingene i Normandie med radioaktive gifter, og hans bekymring var tilstrekkelig til at han valgte å advare general Dwight D. Eisenhower og sendte en offiser avgårde for å orientere hans stabssjef, generalløytnant Walter Bedell Smith. Under kodenavnet Operasjon Peppermint ble det forberedt eget utstyr og grupper med spesialitet innen kjemisk krigføring ble utdannet i bruken av det.
I kjølvannet av de fremrykkende allierte hærene intervjuet Pash og Calvert Frédéric Joliot-Curie om de tyske forskernes aktiviteter. De snakket også med representanter for Union Minière du Haut Katanga om urantransporter til Tyskland. De sporet tilsammen opp 68 tonn med malm i Belgia og 30 tonn i Frankrike. Avhør av tyske fanger tydet på at uran og thorium ble behandlet i Oranienburg, så Groves sørget for en bombing av stedet 15. mars 1945.
En Alsos-gruppe tok seg til Stassfurt i den sovjetiske besetningssonen og hentet 11 tonn uranmalm. I april 1945 gjennomførte Pash, som leder av en blandet styrke med nav T-Force, Operasjon Harborage som var en gjennomsøking bak fiendens linjer av byene Hechingen, Bisingen og Haigerloch. Dette var byer som utgjorde hjertet av et tyske atomprogrammet. T-Force tok atomlaboratorier, dokumenter, utstyr og forsyninger, herunder tungtvann og 1,5 tonn uranmalm.
Alsos-grupper fanget tyske forskere, deriblant Kurt Diebner, Otto Hahn, Walther Gerlach, Werner Heisenberg og Carl Friedrich von Weizsäcker. Disse ble ført til England hvor de ble internert på Farm Hall, et hus fylt av skjulte mikrofoner i Godmanchester. Etter at bombene var sluppet over Japan, ble tyskerne tvunget til å innse at de allierte hadde gjennomført det de selv ikke hadde klart.

Forberedelser

Fra november 1943 begynte Army Air Forces Materiel Command ved Wright Field i Ohio på Operasjon Silverplate, kodenavnet for tilpasningen av Boeing B-29 Superfortress-flyet slik at det kunne frakte atombomben. Testslipp ble gjennomført på Muroc Army Air Field i California og på Naval Ordnance Test Station i Inyokern, California. Groves møtte med sjefen for United States Army Air Forces (USAAF), general Henry H. Arnold, i mars 1944 for å diskutere dropp av de ferdige bombene på målene. Det eneste allierte flyet som kunne bære den 5,1 m lange Thin Man, eller den 1,5 m brede «Fat Man» var det britiske Avro Lancaster, men å bruke et britisk fly ville ha ført til problemer med vedlikeholdet.
Groves håpet at det amerikanske Superfortress-flyet kunne tilpasses slik at det kunne frakte Thin Man ved å slå sammen de to bomberommene. Arnold lovte at alt ville bli gjort for å tilpasse flyet til å klare oppgaven, og han utpekte generalmajor Oliver P. Echols som USAAFs forbindelsesoffiser til Manhattanprosjektet. Echols utpekte videre oberst Roscoe C. Wilson som sin stedfortreder, og Wilson ble Manhattanprosjektets primære kontakt til USAAF. President Roosevelt informerte Groves om at hvis bombene ble ferdige før krigen var slutt, ville han være klar til å slippe dem over Tyskland.
509th Composite Group  ble etablert 17. desember 1944 på Wendover Army Air Field i Utah, under ledelse av oberst Paul Tibbets. Denne basen, som lå tett på grensen til Nevada, fikk kodenavnet «Kingman» eller «W-47». Treningen ble gjennomført på Wendover og på Batista Army Airfield på Cuba, hvor 393. bombeskvadron trente på langdistanseflyginger over vann og dropp av øvelsesbomber. En egen enhet med betegnelsen Alberta ble etablert ved Los Alamos under kaptein William S. Parsons som en del av Manhattanprosjektet for å hjelpe til med å forberede og lever bombene.
Kommandørkaptein Frederick L. Ashworth fra Alberta møtte flåteadmiral Chester Nimitz på Guam i februar 1945 for å informere om prosjektet. Mens han var der, valgte Ashworth North Field på stillehavsøya Tinian som base for 509th Composite Group, og han reserverte plass for gruppen og den bygninger. Gruppen ble overført til øya i juli 1945. Farrell ankom Tinian 30. juli som representant for Manhattanprosjektet.
Hovedparten av delene til «Little Boy» ble avskipet fra San Francisco ombord i krysseren USS «Indianapolis» den 16. juli, og ankom Tinian 26. juli. Fire dager senere ble skipet senket av en japansk ubåt. De resterende delene, som blant annet bestod av seks uran-235-ringer, ble transportert med tre C-54 Skymasters fra 509th Group's 320th Troop Carrier Squadron. To samlinger til «Fat Man» ble transportert til Tinian med spesielt tilpassede B-29 fra 509th Composite Group. Den første plutoniumkjernen ble sendt med en egen C-54.
En felles komite for utpeking av mål ble dannet av Manhattanprosjektet og USAAF for å finne ut hvilke japanske byer som skulle være mål for atombombene. Komiteen anbefalte byene Kokura, Hiroshima, Niigata og Kyoto. Her grep krigsminister Henry L. Stimson inn og ga beskjed om at han ville ta avgjørelsen om målene, og at han ikke ville tillate bombing av Kyoto på grunn av byens historiske og religiøse betydning. Groves bad derfor Arnold om å fjerne Kyoto ikke bare fra listen over mål for atombomber, men også som mål for konvensjonelt bombardement. En av erstatningene for Kyoto var Nagasaki.

Bombingene

I mai 1945 ble det satt ned et utvalg (Interim Committee) som skulle gi råd om bruken av atomenergi under krigen, og senere. Formannen for utvalget var Stimson, og James F. Byrnes, en tidligere senator som snart ble utpekt til utenriksminister, fungerte som president Harry S. Trumans personlige representant. I tillegg var viseflåteminister Ralph A. Bard, viseutenriksminister William L. Clayton og Vannevar Bush, Karl T. Compton, James B. Conant og Stimsons assistent og direktør for New York Life Insurance Company George L. Harrison med. Interim Committee nedsatte et vitenskapelig panel bestående av Arthur Compton, Fermi, Lawrence og Oppenheimer til å gi dem råd i vitenskapelige spørsmål. I sin presentasjon overfor Interim Committee fremkom det vitenskapelige panelet med sine holdninger til både sannsynlige fysiske virkningene av en atombombe og også den sannsynlige militære og politiske virkningen av den.
På Potsdamkonferansen i Tyskland fikk Truman vite at Trinityprøvesprengningen var vellykket. Han fortalte den sovjetiske lederen Josef Stalin om at USA nå var i besittelse av et supervåpen, uten å gå nærmere i detaljer. Dette var den første direkte meldingen til Sovjetunionen om atombomben, men Stalin kjente allerede til den fra sine spioner. Da tillatelsen til å bruke bomben mot japanerne allerede var gitt, ble det ikke overveid alternativer etter at Japan hadde avvist Potsdamdeklarasjonen.
6. august 1945 lettet B-29-bombeflyet Enola Gay med Tibbets som sjefspilot og Parsons ombord som bombetekniker og «Little Boy» i bomberommet. Hiroshima, som inneholdt et viktig depot for hæren og som ble brukt som utskipningshavn, var det primære målet for oppdraget mens Kokura og Nagasaki var alternative mål. Med Farrells tillatelse ferdiggjorde Parsons bomben underveis for å minimere farene under flyets avgang. Bomben eksploderte i en høyde av 525 m med en styrke som senere ble beregnet til 13 kilotonn TNT. Et område på rundt 12 km² ble ødelagt. Japanske embetsmenn anslo at 69 % av alle bygningene i Hiroshima var ødelagt og at ytterligere 6–7 % var skadet. Rundt 70–80 000 mennesker, eller 30 % av innbyggerne i Hiroshima ble drept øyeblikkelig og ytterligere 70 000 ble skadet.
Om morgenen 9. august 1945 lettet B-29-bombeflyet Bockscar under kommando av major Charles W. Sweeney med «Fat Man» ombord. Denne gangen var Ashworth våpentekniker og Kokura var primærmålet. Sweeney lettet med bomben allerede armert, men de elektriske sikringene var fortsatt aktivert. Da de ankom Kokura viste det seg at skyer hadde dekket byen og det var umulig å se målet, noe som var et krav i ordren. Etter tre passeringer av byen, og med minkende drivstoff, fortsatte de til sekundærmålet, Nagasaki. Ashworth besluttet at de skulle bruke radar hvis målet var skjult, men i siste liten ble det et hull i skyene og man kunne angripe som beordret. «Fat Man» ble sluppet over byens industrielle dal – midtveis mellom stål og våpenfabrikken Mitsubishi mot sør og ammunisjonsfabrikken Mitsubishi-Urakami i nord. Den etterfølgende sprengningen hadde en kraft tilsvarende 21 kilotonn TNT, omtrent det samme som Trinityprøvesprengningen. Virkningen ble holdt innenfor Urakamidalen, og en stor del av byen ble beskyttet av de omkringliggende åsene. Ca. 44 % av byen ble ødelagt. 35 000 mennesker ble drept og 60 000 såret.
Groves regnet med å ha enda en bombe klar til bruk den 19. august, tre til i september og ytterligere tre i oktober. Anordninger til ytterligere to «Fat Man»-bomber ble klargjort. Den tredje urankjernen skulle etter planen sendes fra Kirtland Field til Tinian den 12. august. Robert Bacher var i gang med å pakke den i Ice House i Los Alamos da han fikk beskjed. Da japanerne hadde innledet forhandlinger om kapitulasjon, ga Groves ordre om å avbryte forsendelsen. 11. august ringte Groves til Warren og ga ordre om at en undersøkelsesgruppe skulle rapportere om skadene og radioaktiviteten i Hiroshima og Nagasaki. En gruppe med bærbare geigertellere ankom Hiroshima 8. september under ledelse av Farrell og Warren sammen med den japanske kontreadmiralen Masao Tsuzuki, som fungerte som tolk. De ble i Hiroshima frem til 14. september og undersøkte deretter Nagasaki fra 19. september til 8. oktober. Denne og andre vitenskapelige oppdrag i Japan samlet inn verdifulle vitenskapelige og historiske data.
Nødvendigheten av å bombe Hiroshima og Nagasaki ble gjenstand for en kontrovers blant historikere. Noen stilte spørsmål ved om ikke «atomdiplomati» kunne ha oppnådd de samme målene, og det ble diskutert om det bombene eller den sovjet-japanske grensekrig som var den avgjørende faktoren. David H. Frisch mintes at forskjellige forslag, slik som teknisk demonstrasjon av en atomeksplosjon overfor japanerne ble tatt opp blant forskerne, men til slutt ble de ikke nærmere undersøkt. Franck-rapporten var det mest bemerkelsesverdige forsøket på å få til en demonstrasjon, men den ble avvist av Interim Committees vitenskapelige panel. Szilárd-oppropet som ble sendt i juli 1945, og undertegnet av dusinvis av forskere som arbeider på Manhattanprosjektet, var et sent forsøk på å advare president Harry S. Truman om hans ansvar ved å bruke denne type våpen.

Etter krigen

Under krigen ga ordene «Manhattan Project» enhver rekvisisjon om arbeidere eller rasjonert materiale den høyeste prioritet. En artikkel fra 1945 i tidsskriftet Life anslo imidlertid at «[s]annsynligvis bare noen få dusin i hele landet kjente hele betydningen av Manhattanprosjektet, og kanskje bare 1 000 andre var klar over at det handlet om arbeid med atomer.» De over 100 000 andre som arbeidet på prosjektet «arbeidet som muldvarper i mørket». Arbeiderne ble advart om at avsløringer av prosjektets hemmeligheter kunne straffes med 10 års fengsel eller 10 000 dollar i bøter (ca. 129 000 dollar i 2012). De kunne samtidig se enorme mengder materialer ankomme fabrikkene mens det ikke kom ut noe i den andre enden og overvåke avtaler og bygg samtidig som det foregikk mystiske reaksjoner bak tykke betongvegger. Likevel kjente de ikke til de fulle formålene med jobbene de hadde. De ble også like overrasket som resten av verden da resultatet av arbeidet ble kjent. Aviser i Oak Ridge med nyheten om Hiroshima-bomben ble solgt for én dollar (13 dollar i 2012).
I forventning om bombeslippene, lot Groves Henry DeWolf Smyth utarbeide en historie til offentliggjørelse. Rapporten om atomenergi til militære formål, bedre kjent som «Smyth-rapporten», ble offentliggjort 12. august 1945. Groves og Nichols overrakte Army-Navy «E» Award til nøkkelleverandører, hvis involvering hadde vært holdt hemmelig. Over 20 nøkkelleverandører og vitenskapsfolk ble tildelt presidentens fortjenestemedalje (Presidential Medal for Merit), deriblant Bush og Oppenheimer. Militærfolk fikk Legion of Merit, blant annet sjefen for Women's Army Corps-enheten, kaptein Arlene G. Scheidenhelm.
I Hanford falt produksjonen av plutonium etter hvert som reaktorene B, D og F ble slitt, «forgiftet» av spaltningsprodukter og utvidelse av grafittstavene, kjent som Wigner-effekten. Utvidelsen skadet de rørene hvor uran ble bestrålt for å danne plutonium og gjorde dem ubrukelige. For å opprettholde forsyningen av polonium til «unchin initiatorene», ble produksjonen skåret ned og den eldre enheten – B – ble stengt, slik at det minst var én reaktor til rådighet senere. Forskningen fortsatte og DuPont og metallaboratoriet utviklet en redoksreaksjon som en alternativ metode til separasjon av plutonium til vismutfosfatprosessen, som etterlot ubrukt uran i en form som var vanskelig å gjenbruke.
Arbeidet med å bygge bomber ble utført av Z-divisjonen, oppkalt etter direktøren Jerrold R. Zacharias fra Los Alamos. Z-divisjonen holdt opprinnelig til på Wendover Field, men flyttet til Oxnard Field i New Mexico i september 1945 for å være tettere på Los Alamos. Dette var begynnelsen på Sandia base. Den nærliggende Kirtland Field ble brukt som B-29-base for utprøving av brukbarhet i fly og utprøvinger av slipp. I oktober var hele staben og fasilitetene i Wendover blitt overført til Sandia. Etter hvert som reserveoffiserene ble sendt hjem, ble de skiftet ut med 50 spesielt utvalgte offiserer.
Nichols anbefalte at S-50 og Alpha-linjene på Y-12 ble stengt ned. Det skjedde i september. Selv om de fungerte bedre enn noen gang, kunne ikke Alpha-linjene konkurrere med K-25 og den nye K-27, som ble satt i drift i januar 1946. I desember ble Y-12-anlegget stengt ned, og dermed falt beskjeftigelsen i Tennessee Eastman fra 8 600 til 1 500 personer. Dette ga en besparelse på 2 millioner dollar i måneden.
Demobiliseringen utgjorde et enormt problem for Los Alamos som opplevde en regelrett talentflukt. Det var svært mye som gjenstod å gjøre. Bombene som ble brukt under Hiroshima og Nagasaki var rene laboratorieeksemplarer, og det manglet mye for å gjøre de enklere, sikrere og mer pålitelige. Det skulle utvikles implosjonsmetoder til uranbomber i stedet for den uøkonomiske kanonmetoden, og det var behov for blandede uran-plutoium-kjerner nå som det var knapphet på plutonium på grunn av reaktorproblemene. Usikkerheten om laboratoriets fremtid gjordet imidlertid vanskelig å få folk til å bli værende. Oppenheimer vendte tilbake til sin jobb ved University of California og Groves utpekte Norris Bradbury som midlertidig erstatning. Rent faktisk kom Bradbury til å bli i denne stillingen de neste 25 årene. Groves forsøkte å bekjempe utilfredsheten, som kom av mangelen på bekvemmeligheter, med et byggeprogram som omfattet en forbedret vannforsyning, tre hundre hus og fritidsfasiliteter.
To prøvesprengninger av «Fat Man»-typen ble gjennomført på Bikiniatollen i juli 1946, som et ledd i Operasjon Crossroads, for å undersøke effekten av atomvåpen på krigsskip. Able ble sprengt 1. juli 1946. Den mer spektakulære Baker ble sprengt under vann 25. juli 1946.
Under inntrykk av de nye våpnenes ødeleggelseskraft og i forventning om et våpenkappløp uttrykte en rekke prosjektdeltakere, deriblant Bohr, Bush og Conant, et synspunkt om at det var nødvendig å komme frem til en avtale om internasjonal kontroll med atomforskning og atomvåpen. Baruch-planen, som ble fremlagt i en tale til det nyetablerte atomenergikommisjonen i juni 1946, foreslo etableringen av en internasjonal myndighet innen atomutvikling, men det førte aldri frem. Etter en intern amerikansk debatt om den fortsatte ledelsen av atomprogrammet, ble den amerikanske atomenergikommisjonen dannet med henblikk på å overta oppgavene til Manhattanprosjektet. Loven sikret sivil kontroll over atomprogrammet og fjernet utvikling, produksjon og kontroll over atomvåpen fra det militære. De militære aspektene ble overtatt av Armed Forces Special Weapons Project (AFSWP). Selv om Manhattanprosjektet ble avsluttet 31. desember 1946, eksisterte Manhattandistriktet frem til 15. august 1947.