Fat Man
Quá trình phát triển

Seth Neddermeyer đã loại bỏ ý tưởng thiết kế đầu tiên về quả bom hạt nhân kiểu nổ sập của Serber và Tolman (lắp ráp nhiều bộ phận nổ riêng biệt) mà thay vào đó ông muốn quả bom có dạng hình cầu rỗng bị co sập vào trong bởi một lớp vỏ chất nổ bao bọc bên ngoài. Cùng tham gia hỗ trợ trong việc thiết kế này có Hugh Bradner, Charles Critchfield và John Streib. Ngoài ra, còn có thêm L. T. E. Thompson cùng được mời tham gia với tư cách cố vấn và thảo luận vấn đề với Neddermeyer vào tháng 6 năm 1943. Thompson không tin rằng có thể tạo ra vụ nổ sập một cách đủ đối xứng. Oppenheimer đã sắp xếp để Neddermeyer và Edwin McMillan đến thăm Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Chất nổ của Ủy ban Nghiên cứu Quốc phòng [en] (NDRC) gần các phòng thí nghiệm của Cục Khai thác Mỏ ở Bruceton, Pennsylvania (ngoại ô Pittsburgh), nơi họ nói chuyện với George Kistiakowsky và cộng sự. Nhưng những nỗ lực của Neddermeyer vào tháng 7 và tháng 8 trong việc làm nổ co sập các ống để tạo ra những ống trụ dẫn đến việc tạo ra các vật thể có hình dạng giống như hòn đá. Neddermeyer là người duy nhất tin rằng thiết kế bom kiểu nổ sập là khả thi, và chỉ có sự nhiệt tình của ông mới giúp giữ cho dự án tiếp tục tồn tại.
Oppenheimer đưa John von Neumann đến Los Alamos vào tháng 9 năm 1943 để có thêm một ý kiến chuyên môn mới về thiết kế bom kiểu nổ sập. Sau khi xem xét các nghiên cứu của Neddermeyer, và thảo luận về vấn đề này với Edward Teller, John von Neumann đề xuất việc sử dụng chất nổ siêu thanh ở các ngòi nổ để làm nổ co sập quả cầu, điều mà ông chứng minh rằng không chỉ giúp việc lắp ráp vật liệu phân hạch nhanh hơn so với thiết kế bom kiểu súng, mà còn có thể làm giảm đáng kể lượng nguyên liệu cần dùng, do mật độ cao hơn. Ý tưởng—về việc dưới áp lực của vụ nổ như vậy, plutoni sẽ bị nén lại—đến từ Teller, người có kiến thức về cách các kim loại nặng (có tỷ trọng lớn) hoạt động dưới áp suất lớn bị ảnh hưởng bởi các nghiên cứu lý thuyết từ trước chiến tranh của ông về lõi Trái đất cùng với George Gamow. Triển vọng về vũ khí hạt nhân hiệu năng cao hơn đã gây ấn tượng với Oppenheimer, Teller và Hans Bethe, nhưng họ quyết định rằng cần phải có sự tham gia của một chuyên gia về chất nổ. Tên của George Kistiakowsky ngay lập tức được gợi ý, và Kistiakowsky được đưa vào dự án với tư cách là cố vấn vào tháng 10 năm 1943.
Dự án phát triển vũ khí kiểu nổ sập vẫn chỉ là phương án dự phòng cho đến tháng 4 năm 1944, khi các thí nghiệm của Emilio G. Segrè và Nhóm P-5 của ông tại Los Alamos trên plutoni mới được sản xuất từ lò phản ứng làm chậm bằng than chì X-10 ở Oak Ridge và Lò phản ứng B ở Cơ sở Hanford cho thấy nó chứa tạp chất ở dạng đồng vị plutoni-240. Chất này có tốc độ phân hạch tự phát và độ phóng xạ cao hơn nhiều so với plutoni-239. Các đồng vị được tạo ra bởi máy gia tốc cyclotron, mà các phép đo ban đầu đã được thực hiện, có lượng tạp chất plutoni-240 thấp hơn nhiều. Do vậy, không thể tránh khỏi việc xuất hiện tạp chất plutoni-240 trong lượng chất phóng xạ tạo ra bằng lò phản ứng tái sinh. Điều này có nghĩa là tốc độ phân hạch tự phát của plutoni trong lò phản ứng cao đến mức rất có thể nó sẽ tự kích hoạt sớm và tự nổ tung trong quá trình hình thành ban đầu của khối lượng tới hạn. Để đảm bảo khoảng cách cần thiết nhằm gia tốc plutoni đến tốc độ không để xảy ra hiện tượng tự nổ sớm (predetonation), phải tạo ra nòng súng có chiều dài vượt quá kích thước cho phép trên bất kỳ máy bay ném bom nào hiện có hoặc được dự tính sử dụng. Ngoài ra, nếu thiết kế quả bom dạng súng, "viên đạn" và "bia mục tiêu" plutoni sẽ di chuyển với tốc độ 3.000 foot trên giây (910 m/s), khi đó plutoni sẽ nóng chảy và quả bom không thể phát nổ như mong muốn. Do đó, cách duy nhất khả thi để sử dụng plutoni trong một quả bom là phải thiết kế bom hạt nhân kiểu nổ sập.
Tại cuộc họp ở Los Alamos vào ngày 17 tháng 7 năm 1944, người ta thống nhất rằng việc sản xuất bom hạt nhân plutoni kiểu súng là hoàn toàn không khả thi. Tất cả các công việc về loại bom kiểu súng trong Dự án Manhattan do vậy hướng về việc phát triển quả bom Little Boy, loại thiết kế bom kiểu súng sử dụng urani được làm giàu. Phòng thí nghiệm Los Alamos đã được tái cơ cấu hoạt động, với hầu hết tất cả các nguồn lực nghiên cứu đều tập trung vào các vấn đề liên quan đến hiện tượng nổ sập của quả bom Fat Man.
Vấn đề đầu tiên liên quan đến cách sắp xếp kíp nổ xung quanh để tạo hiện tượng nổ sập. Theo thí nghiệm của Neddermeyer, sóng xung kích gây ra bởi các kíp nổ sẽ có hướng phân tán, va chạm nhau, dẫn đến sự không đồng bộ trong áp suất và hiện tượng co sập không thể thực hiện được. Ý tưởng sử dụng kíp nổ có hình dạng như thấu kính nổ ba chiều—giúp tạo sóng xung kích hội tụ vào trung tâm—đến từ James L. Tuck, và được phát triển bởi von Neumann. Ngoài ra, để khắc phục khó khăn trong việc đồng bộ nhiều phản ứng kích nổ, Luis Alvarez và Lawrence Johnston đã phát minh ra kíp nổ dây cầu để thay thế hệ thống kích nổ Primacord vốn kém chính xác hơn. Robert Christy được ghi nhận là người thực hiện các phép tính toán cho thấy việc quả cầu plutoni rắn khối lượng dưới tới hạn có thể được nén đến một trạng thái tới hạn, giúp đơn giản hóa công việc một cách đáng kể, vì trước đó, người ta đã cố gắng thử nhiều phương pháp khó khăn hơn để nén thuốc nổ vào một vỏ hình cầu rỗng. Sau báo cáo của Christy, vũ khí lõi plutoni rắn được mang tên "Christy Gadget".
Nhiệm vụ của các nhà luyện kim khi đó là phải tìm ra phương pháp đúc plutoni thành một quả cầu. Mọi chuyện càng trở nên khó khăn hơn khi các thử nghiệm đo mật độ plutoni cho kết quả không nhất quán. Lúc đầu người ta tin rằng sự tạp nhiễm là nguyên nhân, nhưng sau đó người ta sớm xác định rằng nguyên nhân là do plutoni có nhiều dạng thù hình [en]. Pha α giòn tồn tại ở nhiệt độ phòng chuyển thành pha β dẻo ở nhiệt độ cao hơn. Sau đó, người ta chú ý đến plutoni tồn tại pha δ dễ uốn hơn thường tồn tại trong khoảng 300–450 °C (570–840 °F). Người ta thấy rằng chất này ổn định ở nhiệt độ phòng khi được hợp kim với nhôm, nhưng nhôm phát ra neutron khi bị bắn phá bởi các hạt alpha, điều này sẽ làm vấn đề kích nổ sớm càng nghiêm trọng hơn. Các nhà luyện kim sau đó tình cờ phát hiện ra hợp kim plutoni-gali; loại hợp kim này giúp ổn định pha δ và có thể được ép nóng thành hình cầu như mong muốn. Khi plutoni được phát hiện là dễ bị ăn mòn, quả cầu được tráng phủ một lớp nickel.
Kích thước của quả bom Fat Man bị hạn chế bởi các loại máy bay có sẵn. Khi đó tiến sĩ Norman Foster Ramsey là người chịu trách nhiệm nghiên cứu các loại máy bay về tính phù hợp chứa bom. Máy bay duy nhất của quân đội Đồng minh được coi là có khả năng chở Fat Man mà không cần thay đổi kết cấu lớn là Avro Lancaster của Anh và Boeing B-29 Superfortress của Mỹ. Vào thời điểm đó, chiếc siêu pháo đài bay Boeing B-29 là biểu tượng đại diện cho công nghệ máy bay ném bom với những ưu điểm quân sự đáng kể về trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW), tầm bay, tốc độ, trần bay và khả năng sống sót. Người ta cho rằng nếu không có B-29, việc thả bom hầu như là không thể thực hiện được. Tuy nhiên, điều này vẫn hạn chế kích thước quả bom, với chiều dài tối đa cho phép là 11 foot (3,4 m), rộng 5 foot (1,5 m) và trọng lượng là 20.000 pound (9.100 kg). Việc loại bỏ thanh chắn trong khoang chứa bom cho phép quả bom có thể đạt chiều rộng tối đa là 5,5 foot (1,7 m).
Các cuộc thả bom thử nghiệm bắt đầu vào tháng 3 năm 1944, và dẫn đến việc cải tiến chiếc máy bay Silverplate do trọng lượng của quả bom. Các bức ảnh chụp tốc độ cao cho thấy cánh đuôi đứng của bom bị gập lại dưới áp lực, dẫn đến việc hạ độ cao thất thường. Người ta đã thử nghiệm nhiều sự kết hợp khác nhau của hộp ổn định và cánh đuôi trên Fat Man nhằm loại bỏ sự chao đảo liên tục của nó. Cuối cùng, thiết kế mang tên California Parachute được chấp nhận sử dụng, với bề mặt bên ngoài hộp đuôi (tail box) hở phía sau, có hình khối lập phương với tám cánh hướng tâm bên trong, bốn cánh có góc nghiêng 45° và bốn cánh vuông góc với đường rơi, giúp gắn hộp đuôi vào phần đuôi quả bom. Trong các cuộc thả thử nghiệm vào những tuần đầu tiên, Fat Man đã bắn trượt mục tiêu một khoảng cách sai lệch trung bình là 1.857 foot (566 m), nhưng con số này đã giảm một nửa vào tháng 6 năm 1944, khi những phi công ném bom dần thành thạo hơn.
Quả bom Fat Man mã số Y-1222 đời đầu được lắp ráp với khoảng 1.500 bu lông. Sau đó được thay thế bởi thiết kế Y-1291 vào tháng 12 năm 1944. Mẫu thiết kế mới này đã thay đổi rất nhiều mẫu cũ, chỉ có thiết kế đuôi của mẫu Y-1222 là được giữ lại. Các phiên bản sau này bao gồm Y-1560, có 72 kíp nổ; mẫu Y-1561 có 32; và mẫu Y-1562 có 132 kíp nổ. Ngoài ra còn có Y-1563 và Y-1564, là những quả bom huấn luyện, hoàn toàn không có kíp nổ. Thiết kế Y-1561 cuối cùng được lắp ráp chỉ với 90 bu lông. Vào ngày 16 tháng 7 năm 1945, quả bom Fat Man mẫu Y-1561, mang tên "The Gadget", đã được phát nổ trong vụ nổ thử nghiệm Trinity tại một địa điểm hẻo lánh ở bang New Mexico. Mẫu Y-1561 có đương lượng nổ khoảng 20 kilô tấn (84 TJ). Một số thay đổi nhỏ đã được thực hiện đối với thiết kế sau cuộc thử nghiệm Trinity. Philip Morrison nhớ lại rằng "Có một số thay đổi quan trọng... Những phần cơ bản tất nhiên là vẫn không có gì thay đổi."