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

Phương pháp phân tách đồng vị hứa hẹn nhất nhưng cũng nhiều thách thức nhất là khuếch tán hơi. Định luật Graham khẳng định rằng tốc độ khuếch tán lỗ hẹp của một chất khí tỉ lệ nghịch với căn bậc hai khối lượng phân tử của nó, đo đó trong một bình chứa với một màng bán thẩm thấu chứa hỗn hợp hai khí, các phân tử nhẹ hơn sẽ thoát ra khỏi bình chứa nhanh hơn các phân tử nặng hơn. Khí nằm lại trong bình do đó sẽ ít nhiều được làm giàu (xét tới đồng vị nhẹ hơn). Ý tưởng chính của phương pháp là những bình chứa như vậy có thể xếp thành những tầng thang gồm bơm và màng, mỗi tầng liên tiếp sẽ làm giàu hỗn hợp thêm một chút. Nghiên cứu về quá trình này được thực hiện ở Đại học Columbia bởi một nhóm bao gồm Harold Urey, Karl P. Cohen và John R. Dunning.
Vào tháng 11 năm 1942 Ủy ban Chính sách Quân sự phê chuẩn việc xây dựng một nhà máy khuếch tán khí 600 tầng. Ngày 14 tháng 12, công ty M. W. Kellogg chấp nhận một đề nghị xây dựng nhà máy, có mật danh là K-25. Hai bên thỏa thuận hợp đồng, với chi phí cuối cùng lên tới 2,5 triệu đô la. Một chi nhánh riêng mang tên Kellex được lập ra để thực hiện dự án, do một phó chủ tịch của Kellogg là Percival C. Keith đứng đầu. Quá trình này gặp phải những khó khăn kĩ thuật gay go. Khí urani hexafluoride UF6 có tính ăn mòn cao, trong khi không có chất nào thay thế nó được, cho nên các động cơ và bơm phải đặt trong chân không và bao bọc bởi khí trơ. Vấn đề lớn nhất là thiết kế những hàng rào, cần phải khỏe, xốp và chống ăn mòn. Lựa chọn tốt nhất cho điều này xem ra là nickel. Edward Adler và Edward Norris tạo nên một hàng rào dạng lưới từ nickel mạ điện. Một nhà máy chạy thử 6 tầng được xây ở Columbia để thử nghiệm quá trình, nhưng nguyên mẫu Norris-Adler tỏ ra quá giòn. Một thiết kế hàng rào cạnh tranh với nó được phát triển từ nickel dạng bột bởi Kellex, Phòng thí nghiệm Bell và tập đoàn Bakelite. Tháng 1 năm 1944, Groves quyết định đưa hàng rào Kellex vào sản xuất.
Thiết kế của Kellex cho K-25 cần một cấu trúc hình chữ U 4 tầng dài 0,5 dặm (0,80 km) gồm 54 tòa nhà liền kề nhau. Chúng được chia làm 9 khu vực, bên trong là những buồng 6 tầng. Các buồng này có thể vận hành độc lập, hoặc liên thông trong một khu vực. Tương tự, các khu vực có thể hoạt động riêng rẽ hoặc như một phần của một cấu trúc xếp tầng duy nhất. Một đội khảo sát đánh dấu một địa điểm rộng 500 mẫu Anh (2,0 km2) vào tháng 5 năm 1943. Công trình trên tòa nhà chính bắt đầu tháng 10 năm 1943, và nhà máy chạy thử 6 tầng đã sẵn sàng hoạt động vào ngày 17 tháng 4 năm 1944. Năm 1945 Groves hủy bỏ các tầng trên của nhà máy, chỉ đạo Kellex thay vào đó thiết kế và xây dựng một cấu trúc 540 tầng tiếp liệu từ phía bên, được gọi là K-27. Kellex chuyển đơn vị cuối cùng cho nhà thầu điều hành Liên đoàn Carbide và Carbon, vào ngày 11 tháng 9 năm 1945. Tổng chi phí, bao gồm nhà máy K-27 hoàn thành sau chiến tranh, lên tới khoảng 480 triệu đô la.
Nhà máy sản xuất bắt đầu vận hành tháng 2 năm 1945, và khi hết tầng thang này tới tầng khác đi vào hoạt động, chất lượng được tăng lên. Tới tháng 4 năm 1945, K-25 đã đạt độ giàu 1,1% và thành phẩm từ nhà máy khuếch tán nhiệt S-50 bắt đầu được dùng làm vật liệu đầu vào. Một số sản phẩm tạo ra tháng sau đó đạt độ giàu gần 7%. Tháng 8 chứng kiến tầng cuối cùng trong tổng số 2892 tầng bắt đầu hoạt động. K-25 và K-27 đạt tới công suất đầy đủ vào thời đầu hậu chiến, khi chúng làm lu mờ các nhà máy sản xuất khác và trở thành nguyên mẫu cho một thế hệ những nhà máy mới.