Dự án Manhattan
Chế tạo bom nguyên tử > Thiết kế

Năm 1943, các nỗ lực phát triển vũ khí hướng tới một vũ khí phân hạch kiểu súng (xem hình) với plutoni gọi là Thin Man. Các nghiên cứu ban đầu về tính chất của plutoni được thực hiện sử dụng plutoni-239 sinh ra từ cyclotron, có độ tinh khiết rất cao, nhưng chỉ tạo ra được những lượng rất nhỏ. Los Alamos nhận những mẫu plutoni đầu tiên từ lò phản ứng Clinton X-10 vào tháng 1944 và chỉ sau ít ngày Emilio Segrè phát hiện ra một vấn đề: mẫu plutoni này chứa một nồng độ plutoni 240 cao hơn, dẫn đến tốc độ phân hạch tức thời của plutoni cyclotron tăng gấp năm lần. Seaborg đã tiên đoán chính xác điều này vào tháng 3 năm 1943 rằng một số plutoni-239 sẽ hấp thụ một neutron và trở thành plutoni-240.
Điều này khiến cho plutoni từ lò phản ứng không phù hợp để dùng cho một vũ khí kiểu súng. Plutoni-240 sẽ khởi động phản ứng dây chuyền quá nhanh dẫn tới "kích nổ trước" (predetonation) sinh ra đủ năng lượng làm phân tán hết khối lượng tới hạn với một lượng plutoni ít ỏi thực sự phản ứng (gọi là "xịt bom"). Một thiết kế súng nhanh hơn được đề xuất nhưng người ta sớm thấy nó không thực tiễn. Khả năng phân tách đồng vị cũng được xem xét rồi bị loại bỏ, bởi tách plutoni-240 khỏi plutoni 239 còn khó hơn nhiều tách urani-235 khỏi urani-238.
Dưới sự thúc đẩy của nhà vật lý Seth Neddermeyer, một phương pháp thiết kế bom khác, được gọi là "nổ sập" (implosion). Nổ sập sử dụng chất nổ để nhồi một khối cầu vật liệu phân hạch chưa tới hạn sập lại thành một dạng nhỏ, đặc hơn. Khi các nguyên tử phân hạch bị nén lại gần nhau, tốc độ bắt neutron gia tăng, và khối lượng đạt tới khối lượng tới hạn. Kim loại chỉ cần di chuyển trong một khoảng cách rất ngắn, vì thế khối lượng tới hạn đạt tới trong một thời gian ít hơn nhiều so với phương pháp súng. Các nghiên cứu của Neddermeyer năm 1943 và đầu 1944 về nổ sập tỏ ra hứa hẹn, nhưng cũng dễ thấy rằng vấn đề khó khăn hơn nhiều từ góc độ lý thuyết và kĩ thuật so với thiết kế súng. Tháng 9 năm 1943, John von Neumann, người đã có kinh nghiệm với lượng nổ lõm sử dụng trong các loại đạn chống tăng, lập luận rằng nổ sập không chỉ giảm nguy cơ kích nổ trước và xịt bom, mà còn giúp sử dụng vật liệu phân hạch hiệu quả hơn. Ông đề xuất một cấu hình dạng cầu thay vì dạng trụ mà Neddermeyer đang nghiên cứu.
Tới tháng 7 năm 1944, Oppenheimer quyết định rằng plutoni không thể dùng cho thiết kế kiểu súng, và chọn nổ sập. Người ta bắt đầu tập trung vào thiết kế nổ sập, mật danh là Fat Man, bắt đầu vào tháng 8 năm 1944 khi Oppenheimer tiến hành tái tổ chức phòng thí nghiệm Los Alamos cho mục đích này. Hai nhóm mới được tạo ra để phát triển vũ khí nổ sập, X (tức "explosive", phụ trách chất nổ) đứng đầu bởi George Kistiakowsky và G (tức "gadget", phụ trách thiết bị) dưới quyền Robert Bacher. Thiết kế mới mà von Neumann và phòng T ("Theoretical", lý thuyết), nhất là Rudolf Peierls, đã phát minh ra các "thấu kính nổ" (phễu kim loại) để hội tụ sức nổ vào một hình cầu sử dụng một sự kết hợp giữa các chất nổ chậm và nhanh.
Thiết kế thấu kính kích nổ với hình dạng và tốc độ phù hợp tỏ ra chậm, khó khăn và gây nản chí. Các loại thuốc nổ khác nhau đã được thử nghiệm trước khi đi đến chỗ chọn được comp-B làm chất nổ nhanh và baratol làm thuốc nổ chậm. Thiết kế cuối cùng trông giống như một quả bóng đá, với 20 thấu kính lục giác và 12 thấu kính ngũ giác, mỗi cái nặng khoảng 80 pound (36 kg). Để cho việc kích nổ xảy ra chính xác cần đến các kíp nổ nhanh, độ tin cậy cao và an toàn về điện, và mỗi thấu kính cần 2 kíp nổ như vậy. Do đó người ta quyết định sử dụng các loại kíp nổ dây, một phát minh mới được phát triển bởi một nhóm ở Los Alamos do Luis Alvarez đứng đầu. Hãng Raytheon nhận hợp đồng sản xuất loại kíp nổ này.
Để nghiên cứu hoạt động của sóng xung kích hội tụ, Robert Serber phát minh ra Thí nghiệm RaLa, sử dụng đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn lanthanum-140, một nguồn bức xạ gamma mạnh. Nguồn tia gamma được đặt vào tâm một khối cầu kim loại bao quanh bởi thấu kính nổ, đến lượt mình nó nằm trong một buồng ion hóa. Điều này cho phép thu được hình ảnh tia X của nổ sập. Các thấu kính được thiết kế chủ yếu sử dụng chuỗi những phép thử này. Trong cuốn sách lịch sử về dự án Los Alamos, David Hawkins viết: "RaLa trở thành thí nghiệm đơn lẻ quan trọng nhất ảnh hưởng tới thiết kế cuối cùng của quả bom".
Bên trong chất nổ là lớp nhôm dày 4,5 inch (110 mm) nhồi vào để tạo sự dịch chuyển mượt mà từ chất nổ mật độ tương đối thấp tới lớp tiếp theo, một cái đầm làm bằng urani tự nhiên dày 3 inch (76 mm). Nhiệm vụ chính của nó là duy trì khối lượng tới hạn lâu nhất có thể, nhưng cũng còn để phản xạ neutron ngược lại lõi; ngoài ra, một phần của nó cũng đóng góp phân hạch. Để tránh kích nổ trước bởi neutron ngoài, chiếc đầm được bọc phủ một lớp boron mỏng. Một bộ khởi động neutron điều biến làm từ hợp kim polonium-beryllium được gọi là "cầu gai" (tức "nhím biển") bởi vì hình dạng của nó trông giống loài động vật này, được phát triển để khởi động phản ứng dây chuyền chính xác vào thời điểm phù hợp. Công trình liên quan tới hóa học và luyện kim học về polonium phóng xạ được biết tới dưới tên Dự án Dayton, do Charles Allen Thomas của Công ty Monsanto điều hành. Những cuộc thử nghiệm cần tới 500 curie polonium mỗi tháng, mà Monsanto có thể cung cấp. Toàn bộ các bộ phận lắp ráp được đóng trong một vỏ bom bằng đura để bảo vệ nó khỏi đạn và hỏa lực phòng không.
Công việc cuối cùng của các nhà luyện kim là xác định cách để đúc plutoni thành một khối cầu. Khó khăn trở nên rõ ràng khi các nỗ lực đo mật độ plutoni đưa ra những kết quả không thống nhất với nhau. Ban đầu người ta tin rằng việc nhiễm bẩn là nguyên nhân nhưng họ sớm nhận ra là plutoni có nhiều dạng thù hình khác nhau. Pha giòn α tồn tại ở nhiệt độ phòng chuyển thành pha dẻo β ở nhiệt độ cao hơn. Sau đó sự chú ý chuyển sang pha δ còn dễ uốn dẻo hơn, thường tồn tại ở phạm vi 300 °C tới 450 °C. Người ta thấy rằng dạng này sẽ bền ở nhiệt độ phòng nếu được đúc hợp kim với nhôm, nhưng nhôm phát ra neutron khi bị hạt alpha bắn phá, điều sẽ làm trầm trọng thêm nguy cơ kích nổ trước. Các nhà luyện kim sau đó tìm đến hợp kim plutoni với gallium, thứ vừa ổn định pha δ và có thể cán nóng thành dạng cầu mong muốn. Vì plutoni bị ăn mòn dễ dàng, khối cầu cần phải phủ bằng nickel.
Công việc tỏ ra nguy hiểm cho những người tham gia. Tới cuối cuộc chiến, một nửa số những nhà khoa học và luyện kim trong dự án buộc phải bị loại khỏi công việc liên quan tới urani do người ta phát hiện nồng độ nguyên tố này trong nước tiểu của họ ở mức cao không thể chấp nhận được. Một đám cháy nhỏ ở Los Alamos tháng 1 năm 1945 làm dấy lên nỗi sợ rằng một đám cháy trong phòng thí nghiệm có thể làm nhiễm độc cả thị trấn, và Groves phê chuẩn việc xây dựng một cơ sở mới cho nghiên cứu hóa học và luyện kim plutoni, được gọi là địa điểm DP. Các bán cầu cho hốc (hay lõi) plutoni đầu tiên được sản xuất và giao vào ngày 2 tháng 7 năm 1945. Ba bán cầu khác được sản xuất vào ngày 23 tháng 7 và giao đi 3 ngày sau.