Dự án Manhattan
Urani > Phân tách đồng vị > Khuếch tán nhiệt

Quá trình khuếch tán nhiệt dựa trên Lý thuyết Chapman-Enskog của Sydney Chapman và David Enskog, giải thích rằng khi một hỗn hợp khi đi qua một miền chênh lệch nhiệt độ, khí nặng hơn sẽ tập trung ở đầu lạnh hơn còn khí nhẹ hơn sẽ ở đầu nóng hơn. Vì các khí nóng thường có xu hướng đi lên và khí lạnh đi xuống, điều này có thể lợi dụng để tách đồng vị. H. Clusius và G. Dickel đã chứng minh quá trình này lần đầu tiên ở Đức năm 1938. Nó được các nhà nghiên cứu thuộc Hải quân Hoa Kỳ phát triển, nhưng không phải là một trong những công nghệ ban đầu được chọn cho Dự án Manhattan. Lý do cho điều này chủ yếu là những nghi ngờ về tính khả thi về mặt kĩ thuật, nhưng mối kình địch giữa hai quân chủng Hải quân và Lục quân cũng đóng một vai trò.
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân tiếp túc nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Philip Abelson, nhưng ít có liên lạc với Dự án Manhattan cho tới tháng 4 năm 1944, khi Đại tá William S. Parsons, sĩ quan hải quân phụ trách phát triển vũ khí ở Los Alamos, đem tới cho Oppenheimer tin tức về những tiến bộ đáng khích lệ trong các thí nghiệm của Hải quân về khuếch tán nhiệt. Oppenheimer viết thư Groves đề xuất rằng thành phẩm từ một nhà máy khuếch tán nhiệt có thể làm vật liệu đầu vào cho Y-12. Groves lập ra một ủy ban bao gồm Warren K. Lewis, Eger Murphree và Richard Tolman để xem xét ý tưởng, và họ đánh giá rằng một nhà máy khuếch tán nhiệt tốn khoảng 3,5 triệu đô la có thể làm giàu 50 kg urani một tuần đạt tới 0,9% urani-235. Groves phê chuẩn việc xây dựng vào ngày 24 tháng 6 năm 1944.
Groves ký hợp đồng với Công ty H. K. Ferguson ở Cleveland, Ohio để xây dựng nhà máy khuếch tán nhiệt, đặt tên là S-50. Các cố vấn của Groves, Karrl Cohen và W. I. Thompson từ hãng Esso, ước tính rằng sẽ cần 6 tháng để xây dựng. Groves chỉ cho Ferguson đúng 4 tháng. Các kế hoạch đề xuất thiết lập 2142 cột khuếch tán cao 48 foot (15 m) sắp xếp thành 21 đường máng. Bên trong mỗi cột có ba ống đồng tâm. Hơi nước, nhận từ nhà máy điện gần K-25 với áp suất 100 pound trên inch vuông (690 kPa) và nhiệt độ 545 °F (285 °C), tuôn xuống dưới từ ống nickel 1,25 inch (32 mm), trong khi nước ở nhiệt độ 155 °F (68 °C) chảy hướng lên thông qua ống sắt ngoài cùng. Sự phân tách đồng vị xảy ra trong khí urani hexafluoride giữa các ống nickel và ống đồng.
Công trình bắt đầu ngày 9 tháng 7 năm 1944, và S-50 bắt đầu vận hành từng bước trong tháng 9 bởi thông qua một công ty con của Ferguson có tên là Fercleve. Nhà máy sản xuất chỉ 10,5 pound (4,8 kg) 0,852% urani-235 vào tháng 10. Sự rò rỉ hạn chế việc sản xuất và thậm chí khiến nó phải đóng cửa vài tháng sau đó, nhưng tháng 6 năm 1945 nó đã tạo ra được 12.730 pound (5.770 kg). Tới tháng 4 năm 1945, tất cả các đường máng sản xuất được vận hành. Ban đầu sản phẩm đầu ra của S-50 được dùng làm đầu vào cho Y-12, nhưng từ tháng 3 năm 1945 tất cả ba quá trình làm giàu chạy nối tiếp nhau. S-50 trở thành tầng đầu tiên, làm giàu từ 0,71 tới 0,89%. Sau đó vật liệu này được đưa vào quá trình khuếch tán khí ở nhà máy K-25, tạo ra sản phẩm làm giàu khoảng 23%. Sau đó, nó được đưa tiếp vào Y-12, đẩy hàm lượng làm giàu lên tới 89%, đủ cho vũ khí nguyên tử.
Lượng urani sản phẩm cuối cùng được tích tụ và dần dần chuyển tới Los Alamos. Tới tháng 7 năm 1945, ở Alamos có khoảng 50 kg urani làm giàu tới 89%, trộn với một ít làm giàu 59% thành lượng urani độ giàu 85%, được sử dụng để chế tạo Little Boy.