קלוטרון
התחלת המחקר

הידיעות על גילוי ביקוע גרעיני על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן בשנת 1938, והסברם התאורטי של הפיזיקאים ליזה מייטנר ואוטו פריש לתופעה, הובאו לארצות הברית על ידי הפיזיקאי הדני נילס בוהר. בהתבסס על 'מודל טיפת הנוזל' שלו של גרעין האטום, הגיע בוהר למסקנה שהאיזוטופ אורניום-235, ולא האורניום-238 המצוי בכמות גדולה יותר בטבע, הוא האיזוטופ המתבקע כשהוא מופצץ בנייטרונים תרמיים. כדי לאמת זאת, השתמש אלפרד נייר מאוניברסיטת מינסוטה באפריל 1940 בספקטרומטר מסה כדי ליצור כמות זעירה של אורניום-235 טהור, ואז הצליחו ג'ון דנינג, אריסטיד פון גרוס ויוג'ין בות, לאשר כי בוהר צדק. לאו סילארד וולטר צין אישרו במהרה כי יותר מנייטרון אחד משתחרר בכל ביקוע, מה שהביא למסקנה שנוצרת תגובת שרשרת גרעינית בתהליך, ומכאן הייתה הדרך קצרה להבנה שאפשר לנצל את התהליך ליצירת פצצה גרעינית רבת עוצמה. בעקבות גילוי זה נוצר חשש גדול שגרמניה הנאצית גילתה אף היא את התופעה, מקדימה את המערב במחקר, וכבר נמצאת בשלבי פיתוח של פצצת אטום. החשש הובע במיוחד אצל מדענים שהיו פליטים מגרמניה וממדינות פשיסטיות עוינות אחרות.
באוניברסיטת ברמינגהאם בבריטניה הטיל הפיזיקאי האוסטרלי מארק אוליפנט (אנ') על שני פיזיקאים יהודיים, פליטים של המשטר הנאצי – אוטו פריש ורודולף פיירלס (אנ') – את המשימה לחקור את היתכנותה של פצצה אטומית. למרבה האירוניה, למרות פרסומם כפיזיקאים מהשורה הראשונה, מעמדם כזרים שהגיעו ממדינת אויב מנע את העסקתם בפרויקטים סודיים כמו פיתוח מכ"ם. מתזכיר פריש-פיירלס (אנ'), שפרסמו במרץ 1940, עולה כי המסה הקריטית של אורניום-235 הייתה בסדר גודל של כ-10 ק"ג, שהיה משקל קטן מספיק כדי שמטוס הפצצה של אותה עת יוכל לשאת אותו. ועדת MAUD הבריטית, שהוקמה כתוצאה ממסקנות תזכיר פריש-פיירלס ועסקה בנושאי גרעין, המליצה אז פה אחד להמשיך בפיתוח פצצת האטום. בריטניה הציעה להעניק לארצות הברית גישה למחקר המדעי שלה. ג'ון קוקרופט, חבר המשלחת הבריטית שיצאה לארצות הברית בספטמבר 1940 כדי לעודד שיתוף פעולה מדעי בין שתי המדינות, תיאר למדענים האמריקנים את ההתפתחויות המדעיות שהושגו בבריטניה. הוא גילה שפרויקט הגרעין האמריקני קטן יותר ופחות מתקדם מהפרויקט הבריטי.
גם אוליפנט טס לארצות הברית כדי לדבר עם המדענים האמריקאים. הוא נפגש עם ארנסט לורנס במעבדת הקרינה שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. השניים הכירו עוד מלפני המלחמה והיו חברים. לורנס התרשם מספיק כדי להתחיל במחקר משלו על אורניום.
בטבע מהווה האורניום-235 רק כ-0.72% מעפרת האורניום הטבעי, ולכן גורם ההפרדה של תהליך העשרת אורניום צריך להיות גבוה מ-125 כדי לייצר מאורניום טבעי גוש של אורניום בקיע, שמורכב לפחות מ-90% אורניום-235. ועדת MAUD המליצה לעשות זאת בתהליך של דיפוזיה גזית, אולם אוליפנט, שהיה מראשוני המפתחים והמשתמשים בהפרדה אלקטרומגנטית, העדיף אותה. זו גם הייתה הטכנולוגיה שבה השתמש אלפרד נייר.
העיקרון של ההפרדה האלקטרומגנטית הוא שיונים טעונים מוסטים בהשפעת שדה מגנטי, ויונים קלים מוסטים חזק יותר מאשר יונים כבדים. הסיבה שוועדת MAUD הבריטית, ומאוחר יותר מקבילתה האמריקאית, ועדת S-1 של המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD), לא בחרו בהפרדה האלקטרומגנטית הייתה שעל אף שספקטרומטר המסה היה מסוגל להפריד איזוטופים, תפוקתו הייתה נמוכה מאוד. הסיבה לכך נעוצה במה שמכונה מגבלת מטען מרחבי. המטען החיובי של היונים החיוביים גורם להם לדחות זה את זה, מה שגורם לאלומת היונים להתפזר. על פי ניסיונו בשליטה מדויקת על אלומות חלקיקים טעונים מעבודתו עם הציקלוטרון שהמציא, העריך לורנס שמולקולות האוויר בתא הוואקום ינטרלו את היונים, וייצרו קרן ממוקדת. אוליפנט שכנע את לורנס להחליף את ציקלוטרון 37 אינץ' (94 ס"מ) הוותיק שלו, בספקטרומטר מסה ענק להפרדת איזוטופים.
הציקלוטרון עם מגנט 37 אינץ' בברקלי פורק ב-24 בנובמבר 1941, והמגנט שלו שימש לבניית הקלוטרון הראשון. בדצמבר קיבל לורנס מוועדת האורניום S-1 מענק של 400,000 דולר למימון המשך הפיתוח.
הקלוטרון היה בנוי מקופסה עם חריץ שהכילה מקור של יונים וגופי חימום חזקים. אורניום טטרכלורידי (UCl4) יונן בחום, ועבר דרך חריץ של 1.0×50.8 מ"מ לתא ואקום. המגנט החזק הסיט את קרן היונים ב-180 מעלות, אלומת היונים המועשרים נאספה בתא אחד, והאלומות האחרות נאספו בתא איסוף שני.
הקלוטרון הופעל לראשונה ב-2 בדצמבר 1941, ימים ספורים לפני שההתקפה היפנית על פרל הארבור גרמה לכניסת ארצות הברית למלחמת העולם השנייה. בהפעלה זו התקבלה בתא האיסוף של הקלוטרון קרן אורניום של 5 מיקרו-אמפר. התחושה של לורנס לגבי השפעת מולקולות האוויר בתא הוואקום אוששה. הפעלה של הקלוטרון במשך תשע שעות ב-14 בינואר 1942, עם קרן של 50 מיקרו-אמפר, הפיקה 18 מיקרוגרם של אורניום ברמת העשרה של 25% אורניום-235, בערך פי עשרה מכפי שאלפרד נייר הפיק. שיפורים בטכניקה אפשרו לקלוטרון לייצר בפברואר 1942 קרן של 1,400 מיקרו-אמפר. בפברואר גם נשלחו 75 מיקרוגרם של דגימות של אורניום מועשר ברמה של 30% לבריטים ולמעבדה המטלורגית בשיקגו.
גם חוקרים אחרים ניסו טכניקות העשרה אלקטרומגנטיות של אורניום. באוניברסיטת קורנל המציאה קבוצה בראשות לויד סמית, שכללה את ויליאם פרקינס ותאודור פורסטר, מפריד מגנטי רדיאלי. הם הופתעו מכך שאלומות האורניום היו מדויקות וממוקדות יותר מהצפוי, וכמו לורנס הסיקו כי זו תוצאה של ייצוב הקרן על ידי האוויר בתא הוואקום. בפברואר 1942 אוחד צוותם עם צוותו של לורנס בברקלי.