Little Boy
Quá trình phát triển

Do có khả năng phân hạch, đồng vị urani-235 (235U) là vật liệu đầu tiên được sử dụng trong quá trình phát triển bom nguyên tử. Little Boy đôi khi còn được gọi là Mark I (phiên bản số 1) vì đó là thiết kế bom hạt nhân đầu tiên được nghiên cứu, phát triển (cũng đồng thời là thiết kế đầu tiên được sử dụng trong quân sự). Công việc chủ yếu trong giai đoạn phát triển Little Boy là quá trình làm giàu đồng vị urani đủ dùng trong bom nguyên tử, vì lượng 235U chỉ chiếm tỉ lệ nhỏ (1 phần 140) trong urani tự nhiên. Tuy vậy, quá trình làm giàu đồng vị urani là một thách thức lớn vào thời điểm đó. Ủy ban tư vấn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, do Arthur Compton đứng đầu, đã gửi báo cáo cho Vannevar Bush vào tháng 5 năm 1941, cho rằng việc phân tách đồng vị 235U từ nguồn quặng urani cần mất ít nhất ba đến năm năm, ngay cả trong những giải pháp lạc quan nhất. Việc làm giàu urani được thực hiện tại Oak Ridge, Tennessee, nơi nhà máy tách điện từ mang mật danh Y-12 bắt đầu chính thức vận hành vào tháng 3 năm 1944. Tháng 6 năm 1944, những lô vật liệu urani làm giàu cao (HEU) đầu tiên đã được gửi đến Phòng thí nghiệm Los Alamos.
Hầu hết lượng urani cần dùng để sản xuất bom nguyên tử được khai thác từ mỏ Shinkolobwe (Congo). Năm 1940, khoảng 1.200 tấn thiếu (1.100 tấn) quặng uraninit (chứa 65% urani oxide) được vận chuyển từ Congo đến đảo Staten, New York nhờ vào tầm nhìn xa của Edgar Sengier, Giám đốc điều hành công ty High Katanga Mining Union (Viết tắt: UMHK từ tên tiếng Pháp: "Union Minière du Haut Katanga"). Ít nhất một phần trong lô hàng này, cùng với số lượng quặng urani và urani oxide mà nhóm Sứ mệnh Alsos (Alsos Mission) thu giữ được vào năm 1944 và 1945, đã được vận chuyển đến Oak Ridge để tách đồng vị urani; ngoài ra, sau khi quân đội Đức đầu hàng vào tháng 5 năm 1945, có thêm 1.232 pound (559 kg) urani oxide được thu giữ trên tàu ngầm U-234 của Đức đang trên đường đến Nhật Bản. Edgar Sengier sau này đã giúp Thiếu tướng Leslie Groves trong việc sở hữu toàn bộ các mỏ quặng urani và thori trên toàn thế giới—thông qua việc thành lập tổ chức Combined Development Trust—nhằm phục vụ cho dự án Manhattan.
Tuy cùng là loại vũ khí phân hạch dạng súng, Little Boy là phiên bản đơn giản hóa của Thin Man. Thin Man, dài 17 feet (5,2 m), được thiết kế để sử dụng chất phóng xạ plutoni, vì vậy nó cũng có thể sử dụng nhiên liệu urani đã được làm giàu. Thiết kế của Thin Man đã bị loại bỏ sau khi Emilio G. Segrè và Nhóm P-5 của ông tại Los Alamos, bằng thực nghiệm, đã phát hiện plutoni tạo ra bằng lò phản ứng tái sinh (reactor-bred plutonium) chứa lượng tạp chất đồng vị plutoni-240 (240Pu) cao hơn so với loại plutoni tạo ra từ máy gia tốc cyclotron (cyclotron-produced plutonium). Loại đồng vị này có tốc độ phân hạch tự phát cao, làm tăng thông lượng neutron nhanh chóng, dẫn đến hiện tượng tự nổ sớm khi chất phóng xạ trong vũ khí hạt nhân chưa đạt đến khối lượng tới hạn, gây nguy hiểm. Do vậy, thiết kế của Thin Man bị loại bỏ và chuyển hướng sang mẫu thiết kế bom hạt nhân phức tạp hơn, mang tên Fat Man.
Vào tháng 7 năm 1944, hầu hết tất cả các nghiên cứu tại Los Alamos đều tập trung phát triển loại vũ khí phóng xạ plutoni kiểu nổ sập. Toàn bộ hoạt động phát triển vũ khí phóng xạ urani kiểu súng được giao cho Sư đoàn Pháo binh dưới sự lãnh đạo của Đại tá William S. Parsons. Dưới quyền của Đại tá Parsons, Thiếu tá Francis Birch, nhà địa vật lý đang làm việc tại Đại học Harvard, được giao phụ trách công việc thiết kế, phát triển và kỹ thuật liên quan đến vũ khí urani kiểu súng. Trái ngược với vũ khí hạt nhân plutoni kiểu nổ sập và plutoni kiểu súng, vũ khí hạt nhân urani kiểu súng có thiết kế đơn giản hơn nhiều. Ý tưởng của nhóm nghiên cứu rằng trong trường hợp dự án bom hạt nhân plutoni thất bại, người ta vẫn có thể sử dụng thiết kế bom kiểu súng. Do vậy, bom phân hạch kiểu súng được thiết kế chỉ dùng urani được làm giàu, và từ đó, nhóm nghiên cứu đã đơn giản hóa thiết kế Thin Man. Loại vũ khí mới này, mang tên Little Boy, chỉ dài khoảng 6 foot (1,8 m)—so với Thin Man dài tới 17 foot (5,2 m)—và nhẹ hơn Thin Man khoảng 10.000 pound (4.500 kg). Nó có kích thước đủ nhỏ để chứa gọn trong khoang máy bay B-29.
Đến tháng 2 năm 1945, thông số thiết kế kỹ thuật của quả bom Little Boy được hoàn thiện và hoạt động sản xuất các linh kiện bắt đầu được tiến hành. Việc sản xuất các linh kiện của Little Boy được thực hiện tại ba nhà máy khác nhau để không ai có bản sao của thiết kế hoàn chỉnh cuối cùng. Phần súng và khóa nòng được chế tạo bởi Nhà máy sản xuất súng Hải quân ở Washington, D.C.; phần bia mục tiêu và một số bộ phận khác được sản xuất tại Nhà máy Pháo binh Hải quân ở Center Line, Michigan; còn khung đuôi và giá đỡ được Công ty Expert Tool and Die ở Detroit, Michigan, chế tạo. Đầu tháng 5 năm 1945, toàn bộ cấu trúc quả bom Little Boy đã được lắp hoàn chỉnh, tuy nhiên chưa được nạp nhiên liệu urani. Kỹ sư Công binh Lục quân Quận Manhattan Kenneth Nichols dự kiến vào ngày 1 tháng 5 năm 1945 sẽ tiến hành làm giàu urani để "dùng cho loại vũ khí đầu tiên ngày 1 tháng 8 và vũ khí thứ hai vào khoảng tháng 12", giả định rằng vũ khí thứ hai sẽ có thiết kế kiểu súng. Người ta cũng xem xét đến việc thiết kế một quả bom phóng xạ urani làm giàu loại nổ sập và điều này dự kiến sẽ làm tăng tiến độ sản xuất. Đầu đạn urani làm giàu được sản xuất vào ngày 15 tháng 6 và bia được hoàn thành vào ngày 24 tháng 7. Bia mục tiêu và tổ hợp tiền chế bom (tức quả bom được lắp ráp gần hoàn chỉnh nhưng không có thành phần phân hạch hạt nhân) rời Xưởng hải quân Hunters Point, California, vào ngày 16 tháng 7 trên tàu tuần dương hạng nặng USS Indianapolis, cập cảng tại đảo Tinian vào ngày 26 tháng 7. Các phần nạp bia urani tiếp theo được vận chuyển bằng ba chiếc máy bay không vận C-54 từ sân bay không quân Kirtland đến Tinian vào ngày 30 tháng 7.
Mặc dù tất cả các bộ phận riêng rẽ của quả bom Little Boy đều đã được thử nghiệm, tuy nhiên người ta chưa từng thực hiện cuộc thử nghiệm toàn diện nào đối với loại vũ khí hạt nhân kiểu súng trước khi nó được thả xuống Hiroshima. Vụ nổ thử nghiệm duy nhất của một ý tưởng vũ khí hạt nhân được thực hiện trên một thiết bị kiểu nổ sập sử dụng plutoni làm vật liệu phân hạch, diễn ra vào ngày 16 tháng 7 năm 1945 tại vụ thử hạt nhân Trinity. Có một số lý do mà người ta không thử nghiệm loại vũ khí phân hạch urani như Little Boy. Lý do chủ yếu là lượng urani được làm giàu rất ít so với lượng plutoni mà khi đó người ta kỳ vọng có thể được sản xuất bởi các lò phản ứng tại Cơ sở Hanford (Hanford Site). Ngoài ra, thiết kế của quả bom Little Boy đơn giản đến mức chỉ cần thực hiện các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với bộ tổ hợp là đủ. Không giống như loại vũ khí phân hạch kiểu nổ sập, vốn đòi hỏi sự đồng bộ phức tạp giữa các kíp nổ xếp xung quanh bia mục tiêu, thiết kế kiểu súng được đánh giá gần như chắc chắn sẽ hoạt động.
Mặc dù Little Boy được trang bị nhiều cơ chế an toàn khác nhau, tuy nhiên việc quả bom phát nổ ngoài ý muốn vẫn có thể xảy ra. Ví dụ, nếu máy bay ném bom mang theo bom hạt nhân bị rơi thì "viên đạn" rỗng có thể bị đẩy về hình trụ "bia mục tiêu", kích nổ quả bom hoặc ít nhất là giải phóng một lượng lớn bức xạ. Tuy nhiên, các thử nghiệm cho thấy để thực hiện việc kích nổ do va đập này sẽ đòi hỏi một lực tác động không khả thi có độ lớn gấp 500 lần lực hấp dẫn. Một mối lo ngại khác là một vụ va chạm và hỏa hoạn có thể kích hoạt chất nổ. Nếu ngâm trong nước, các thành phần urani sẽ xảy ra "hiệu ứng làm chậm neutron", điều này có thể không gây nổ nhưng sẽ giải phóng ô nhiễm phóng xạ. Vì lý do này, các phi công được khuyến cáo nên thả bom hạt nhân trên đất liền hơn là trên biển.