פרויקט מנהטן
הטיפול בפלוטוניום > תכנון הפצצה

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