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曼哈顿计划

| 曼哈顿计划 |
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1945年7月16日進行的三位一體核试验， 是人类史上首次引爆核武器。
存在時期: 1942年至1946年
解散: 1947年8月15日
國家或地區:  美国  英国  加拿大
部門: 洛斯阿拉莫斯国家实验室 劳伦斯伯克利国家实验室 伯克利加州大学
規模: 最高有129,000人參與
直屬:  美國陸軍工程兵團
駐軍/總部: 美國田纳西州橡树岭
紀念日: 1942年8月13日
參與戰役: 盟军入侵意大利 盟军入侵法国 盟军入侵德国 盟軍空襲日本（原子彈） 盟军占领日本
指挥官
著名指揮官: 詹姆斯·马歇尔 肯尼斯·尼科尔斯 莱斯利·理查德·格罗夫斯
標識
臂章:  
徽章 （非官方）: 
曼哈顿计划（英語：）是第二次世界大战期间研发出人类首枚核武器的一项军事计划，由美国主导，英国和加拿大协助进行。1942年至1946年间，曼哈顿计划由美国陆军工程兵团少将莱斯利·格罗夫斯领导，设计制造原子弹的洛斯阿拉莫斯实验室则由核物理学家罗伯特·奥本海默负责。陆军对军事行动的惯例是用总部所在地命名，因而计划中陆军负责的部分称曼哈顿区。不过后来“曼哈顿”一名逐渐取代了原有的官方计划代号代用材料项目发展（），成为对整个计划的称呼。该计划在发展过程中逐渐吸取融合了英国在合金管工程中的发现。曼哈顿计划在1939年便已小规模进行，后来规模愈来越大，总共雇有13万余人，花费22亿美金（折合2020年的254亿美元），其中逾九成是花在了建造工厂、生产可裂变物质上，只有不到一成用在武器研发生产上。研发工作和生产工程分散在美国、英国、加拿大三国30多个不同的地点。
战争期间，曼哈顿计划共研究出两种不同设计的原子弹：一种是较为简单的枪式，另一种是结构复杂的内爆式。其中，枪式设计促就了后来的“小男孩”，其弹芯用的是铀的同位素鈾-235，这种同位素的天然丰度只有0.7%，需要从自然界中更为丰沛的同位素鈾-238中分离出来。不过，两种同位素化学性质完全相同，原子质量接近，分离元素的工作阻碍重重。最后，計劃采用三种不同的方法来濃縮鈾——电磁分离法、氣體擴散法和热泳法，绝大部分工序在美国田纳西州橡树岭的克林顿工程师工程进行。科学家还尝试过将钚填入枪式原子弹中（“瘦子”），但未能成功。
内爆式武器中使用的是钚元素，由核反应堆增殖而来。1942年，在芝加哥大学冶金实验室，人类历史上首座人工核反应堆芝加哥1号堆成功实现自持反应。随后，曼哈顿计划在橡树岭修建了试验核反应堆X-10石墨反应堆，又在华盛顿州的漢福德區修筑了若干增殖核反应堆，可将辐照过的铀通过核嬗变转化为钚；产出的钚再经化学方法（磷酸铋处理法）从铀中分离出来，最终装填入弹芯，成为后来的“胖子”。1945年的三位一体核试验中，人类引爆的首枚核弹“小工具”即是内爆式核武器。
曼哈顿计划还负责收集德國核武器開發計畫的情报。阿尔索斯任务中，曼哈顿计划的眼线遍布欧洲，有些甚至深入敌后，收集核裂变材料和机密文件、拘捕德国科学家。虽然曼哈顿计划保密工作十分严格，有许多内部人员甚至都不清楚自己工作的意义何在，不过还是有苏联的原子间谍渗入其中、窃取情报。
1945年8月，美军派出B-29轰炸机飞往日本，其中飛行员、投弹手和技术人员均由曼哈顿计划人员担任。机组在广岛、长崎分别掷下“小男孩”和“胖子”，造成10余万人死亡、建筑大范围损毁。战后，美军执行十字路口行动，在比基尼环礁进行了数次核试验。曼哈顿计划中的科研机构演变为后来的美国国家实验室体系，其科研成果也被用来发展核动力海军與用於医學。1947年，美国原子能委员会成立并接管美国的核武器研究生产项目，曼哈顿计划正式停止。
源起

1938年，德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·施特拉斯曼共同发现了核裂变现象，不久后莉泽·迈特纳与奥托·弗里施又洞晓了其背后的理论原理，使得核武器的开发有了理论依据。当时人们很担心德国会率先造出原子弹，从納粹德國等法西斯国家流亡的科学家对此更是恐慌不已。1939年8月，匈牙利裔物理学家利奧·西拉德和尤金·维格纳共同起草愛因斯坦-西拉德信，警告有人可能要研发一种“极为强力的新型炸弹”。信中还强烈建议美国政府大量囤积铀矿，督促恩里科·费米等学者进行核連鎖反應的有关研究。信件由阿尔伯特·爱因斯坦落款署名，递送至时任美国总统富兰克林·德拉诺·罗斯福的手中。罗斯福命国家标准局局长莱曼·布里格斯组建铀顾问团，详议爱因斯坦-西拉德信提及的问题。布里格斯在1939年10月21日召开了一次会议，出席者有西拉德、维格纳和愛德華·泰勒。该年11月，委员会回禀罗斯福称，铀“或可被制成炸弹，其破坏力将远大于目前所知的任何武器”。
美國海軍向哥伦比亚大学资助了6,000美金，费米和西拉德将这笔钱基本都花在了购置石墨上。二人联手尤金·布思和约翰·邓宁等哥伦比亚大学教授实现了美国首个核裂变反应，验证了哈恩和施特拉斯曼的发现。他们随后又陆陆续续在哥伦比亚大学卜平樓制造了一系列核反应堆原型，但未能实现链式反应。1940年6月27日，国防部科研委员会（NDRC）成立，主席万尼瓦尔·布什立刻将铀顾问团划入NDRC，并改组为铀委员会，直接对他负责。布里格斯申请了167,000美元的经费用来研究铀（尤其是同位素鈾-235）和1940年在加利福尼亞大學发现的钚元素。1941年6月28日，罗斯福签署了第8807号总统令，成立了科学研究与开发办公室（简写为OSRD），继续由万尼瓦尔·布什担任主管，NDRC并入其中。除了研究任务外，OSRD还获准许参与大型工程项目。铀委员会从NDRC分离出来直属OSRD，安全起见，“铀”一字也被从委员会名称中移除，改名成“S-1分部”。
1939年6月，弗里施和魯道夫·佩爾斯在英国伯明翰大学对铀-235的臨界質量研究取得了重大突破。他们的计算显示，铀-235臨界質量的数量级在10（22英磅）左右，可以搭载到轰炸机上。1940年3月，他们写下了《弗里施-佩尔斯备忘录》，正式开展英国原子弹计划，并成立穆德委员会。委员会全体一致建议展开原子弹的相关研发工作。该年7月，英国向美国公开了自己的科研成果，蒂泽德任务（英语：）的学者约翰·考克饶夫还向美国科学家通报了英国的研究进展。他留意到美国这边的计划规模不如英国那边的大，进展也没英国的快。
在两国科学交流期间，穆德委员会将自己的研究成果展示给了美国。不过，委员会成员、澳大利亚物理学家马克·奥利芬特留意到穆德委员会的数据尚未转交至美方重要物理学家的手中，于是他在1941年8月下旬访美，调查穆德委员会的成果被忽视的原因，发现资料给到万尼瓦尔·布什后，就被锁到一边了。奥利芬特和铀委员会碰面后，又访问了伯克利，并说服了欧内斯特·劳伦斯开始研究铀。奥利芬特随后又与詹姆斯·科南特、阿瑟·康普顿和乔治·皮格勒姆（英语：）等交流了意见。至此，他得到了自己想要的结果——美国的重要物理学家均已了解原子弹背后蕴藏的巨大潜力。
1941年10月9日，罗斯福总统在与布什和副总统亨利·华莱士会面后批准了原子弹研究计划。为掌控计划进度，罗斯福设立了最高决策团（），组员有他自己（虽然罗斯福从未与会）、华莱士、布什、科南特、战争部长亨利·史汀生和陆军参谋长乔治·马歇尔上将。罗斯福决定让陆军接手原子弹研究计划，因为他认为在管理大型工程建设项目方面陆军比海军更有经验。他亦准许英、美两国相互合作，并在10月11日建议英国首相温斯顿·丘吉尔就原子弹问题相互协商。
可行性 > 提议

S-1委员会在1941年12月18日举行会议。前不久日本偷袭珍珠港导致美国对日本、德国和意大利宣战，致使会议“充斥着热情和紧张的气氛”。
随后，技术人员兵分三路，用三种不同的同位素分离技术尝试将铀-235从自然界大量存在的鈾-238中分离出来：劳伦斯在加利福尼亞大學带领团队研究电磁型同位素分离法，哥伦比亚大学的埃格尔·默弗里（英语：）和杰西·比姆斯（英语：）的团队负责氣體擴散法，华盛顿卡内基研究所的菲力普·艾貝爾森（后转战海軍研究實驗室）则将研究重心放在熱泳法上。默弗里还牵头研究了氣體離心法，但未能成功。与此同时，两批科学家也在各自研究核反应堆的有关原理。哈羅德·尤里在哥伦比亚大学继续研究重水；阿瑟·康普顿则将他麾下的科学家从哥伦比亚大学、加州大学和普林斯顿大学聚集到了芝加哥大学，并在1942年组建冶金实验室，研究钚和将石墨用作中子减速剂的核反应堆。
1942年5月23日，布里格斯、康普顿、劳伦斯、默弗里和尤里在会议上敲定了S-1委员会的最终建议，决定同时对上文提到的五种核技术展开研究工作。这项提议获布什、科南特和威廉·斯泰尔准将（布里恩·萨默维尔少将负责的物资供应局（英语：）的参谋长，时任陆军核事务代表）的批准。布什和科南特随后将此意见呈报至最高决策团，申请5400万美元用于美國陸軍工兵部隊的工程建设、3100万美元用于OSRD的科研活动以及500万美元作为1943财年的或有损失之用。最高决策团随后在1942年将议案提交给罗斯福总统，罗斯福则大笔一挥签下“”批准了提案。
可行性 > 设计构想

格雷戈里·布莱特曾负责主导研究快中子的有关参数，该议题对计算临界质量和核武器的引爆至关重要。1942年5月18日，布莱特因运作安保问题退出后，康普顿邀请加州大学理论物理学家罗伯特·奥本海默接手相关研究工作。在曼哈顿计划与美国全国各地物理实验室磋商协调后，冶金实验室科学家约翰·曼利（英语：）被安排到奥本海默手下当助手。奥本海默和伊利诺伊大学的罗伯特·瑟伯尔共同探讨了中子扩散问题（中子在核链式反应中如何移动）与流體動力學问题（链式反应制造的核爆炸会带来怎样的冲击）。1942年6月，奥本海默同恩里科·费米在芝加哥大学会面，同年7月又在哥伦比亚大学再次会晤，分享对这些问题的见解，并进一步讨论裂变反应的基础理论。其他的列席者还有理论物理学家汉斯·贝特、約翰·范扶累克、泰勒、埃米尔·科诺宾斯基（英语：）、瑟伯尔、斯坦·弗兰克尔（英语：）和埃尔德雷德·C·尼尔森（Eldred C. Nelson）, 其中后三者都曾是奥本海默的学生，以及实验物理学家埃米利奥·塞格雷、费利克斯·布洛赫、佛朗哥·拉塞蒂、曼利和埃德温·麦克米伦。他们初步确认核裂变炸弹的构想在理论上可行。
不过，整个计划依然充满着未知数。彼时人们尚不了解纯铀-235的性质，对格伦·西博格研究团队1941年2月首次成功制取的钚元素也知之甚少。1942年7月伯克利的那次会议中，科学家曾提出让铀-235裂变产生的中子轰击铀-238，从而在核反应堆中制造钚。然而当时人们从未建造过核反应堆，钚也只有圣路易斯华盛顿大学等机构用回旋加速器制备的很少一点而已。截止到1943年12月，人们也仅仅造出了两毫克的钚。核裂变原料有好几种装填成临界质量的方式。最简单的一种是将“柱形塞”打入一个充满“活性材料”的球体，并佐以“填塞物”（tamper）——可以将中子聚集在内部、使核材料聚集在一处并让核反应效率增加的致密材料。科学家们还对其他设计进行过探讨。理查德·托尔曼构想过一种用到類球面的“内爆式”设计草案。他们还考虑过利用自催化反应，在炸弹爆炸时可提升其反应速率。
1942年，学者们在伯克利又召开了一次核武器研讨会议。鉴于核裂变炸弹的理论探讨告一段落，科学家将注意力转向了其他话题。爱德华·泰勒想要讨论一种更为强力的“超级炸弹”（即氢弹），利用核裂变带来的爆炸冲击来引爆氘和氚并引发核聚变。泰勒提议了各种方案，但被贝特一一否决。核聚变的思路也被搁置，人们转为继续深入探讨核裂变炸弹的制造方法。泰勒还推测，理论上通过一种氮原子核聚变反应，原子弹可能会“点燃”引爆点周围的大气。贝特在经过一番计算后认为大气不会被点燃，泰勒作为共同作者参与的一篇报告也指出“不会出现自发的核链式反应”。瑟伯尔后来回忆道，奥本海默曾对阿瑟·康普顿顺口一提此事，后者“开始对此喋喋不休”，“这事情不知怎么被写进一份递至华府的文件中”，“就此没完没了起来”。
组织 > 曼哈顿区

1942年6月，陆军工兵总监（英语：）尤金·雷巴德少将指派詹姆斯·马歇尔上校担任核武器计划陆军方面的负责人。马歇尔在华盛顿特区设有联络办公室，又在纽约百老汇270号（英语：）18层建立了自己的临时总部，方便调动美國陸軍工程兵團北大西洋师（英语：）。此处距离核武器计划的主要承包商石威在曼哈顿的办公地址很近，也离哥伦比亚大学不远。他还可以从自己之前指挥的雪城军区（）抽调人员。马歇尔第一个调用的人是肯尼斯·尼科尔斯中校，命他担任自己的副官。
有鉴于马歇尔的主要任务是工程建设，他与工程兵團建设师的师长托马斯·罗宾斯（）少将与其副官莱斯利·格罗夫斯上尉展开合作。雷诺德、萨默维尔和斯泰尔想要将这个计划称作“代用材料项目发展”（），但格罗夫斯担心这样做太过惹人注目。鉴于工程区通常以所在城市命名，马歇尔和格罗夫斯同意将核武器计划陆军负责的部分命名作“曼哈顿区”（）。8月13日，雷巴德正式下令建立曼哈顿区。私底下人们也称呼该计划“曼哈顿工程区”（）。不过和其他工程区不同的是，曼哈顿区并没有明确的地理边界，负责人马歇尔还是师级区监。“代用材料项目发展”依然是陆军核武器计划的正式官方代号，但逐渐被“曼哈顿区”的叫法取而代之。
马歇尔日后写道：“我当时从未听说过原子裂变的事，但我也知道区区9000万美元是不可能盖好一整座工厂的，遑论盖四座。”当时，尼科尔斯在宾夕法尼亚州新盖的一座TNT工厂就花了1.28亿美元。预算概算的数值范围也是大得离谱——格罗夫斯说这简直就是像请人置办酒席，然后告诉承办方参加人数可能在十人到一千人之间不等。在考察了几处选址后，战时生产委员会推荐在田纳西州距諾克斯維爾不到20英里的埃尔扎（英语：）附近建立工厂，该地荒无人烟，加之田納西河谷管理局可以提供充足的电力，附近的河流亦能为反应堆冷却降温。科南特建议立刻拿下这块地，斯泰尔亦同意此举，然而马歇尔则希望等科南特的核反应堆实验结果出了之后再做行动。当时，那几个研究计划中只有劳伦斯的电磁分离法取得了有效进展，可以动土。
马歇尔和尼科尔斯开始统筹曼哈顿计划所需物资、后勤，他们的第一步便是给计划排成高优先级。当时，最高级别的优先级评级由高到低依次为AA-1到AA-4，不过还有为紧急事件保留的AAA级。AA-1级和AA-2级通常用于必要的武器和装备，因此需求与资源服务供应局（）副参谋长卢修斯·克莱上校认为他只能将曼哈顿计划评为AA-3级，不过他亦表示如有紧急需要可额外安排AAA级。马歇尔和尼科尔斯对此不满，因为尼科尔斯在宾夕法尼亚州盖的那个TNT工厂也是AA-3级的。
组织 > 军事政策委员会

万尼瓦尔·布什觉得詹姆斯·马歇尔上校的行事不够大刀阔斧。在他看来，上校不但没能顺利在田纳西州建造工厂，而且给曼哈顿计划争取到的优先级评级也很低，还将自己的指挥总部设在了纽约市。布什觉得曼哈顿计划需要办事更加雷厉风行的领导，便与哈维·邦迪（英语：）和乔治·马歇尔将军、萨默维尔将军、斯泰尔将军商讨此事。他希望组建一个高级顾问团作为曼哈顿计划的领导层，再选一名声望高的军官作为计划整体的负责人，并推荐斯泰尔出任这一要职。
萨默维尔和斯泰尔则举荐格罗夫斯担任负责人，并在9月17日向格罗夫斯通知了此项决定。马歇尔上将还将格罗夫斯升到准将军衔，认为“将军”的名号更能震慑住曼哈顿计划的科研人员。升勋后，格罗夫斯越过雷巴德直接向萨默维尔汇报，而马歇尔上校则成了格罗夫斯的部下。格罗夫斯将自己的指挥总部设在了华盛顿特区战争部新大楼的五层、马歇尔上校联络办公室所在处。1942年9月23日，他正式接管曼哈顿计划。该日他参加了史汀生组织的会议，该会议组建了军事政策委员会（），隶属最高决策团之下，委员会成员有布什（有时科南特会替代他）、斯泰尔和海军少将威廉·普奈尔。后来，托尔曼和科南特还被指派为格罗夫斯的科学顾问。
9月19日，格罗夫斯拜访了战时生产委员会主席唐纳德·尼尔森（英语：），并要求对方给曼哈顿计划AAA的优先级。尼尔森起初很不情愿，但在格罗夫斯声称要把这事情上报给总统后他屈服了。格罗夫斯保证说不到万不得已绝不动用AAA级权限。不过很快人们意识到，曼哈顿计划的日常开销走AAA级会太高，但走AA-3级的话又太低。经过长时间的拉锯战，1944年7月1日，格罗夫斯终于成功将曼哈顿计划优先度调整为AA-1级。格罗夫斯后来说，“在华府你会渐渐明白‘高优先级’一词的含义。罗斯福政府批的每个议案都会被赋予高优先级，一两周之后又被另一个高优先级议案取而代之。”
格罗夫斯上任后的另一个挑战是敲定Y计划的负责人。Y计划由设计、制造原子弹的科学家组成。当时，三大科研实验室的负责人——尤里、劳伦斯、康普顿——是这一位置的最佳人选，但他们都各自忙得脱不开身。康普顿推荐了对原子弹设计概念十分了解的奥本海默。然而，奥本海默当时从未担任过任何行政管理的职务。而且，许多研究人员觉得这样重大的实验室项目的负责人应当是诺贝尔奖得主——尤里、劳伦斯和康普顿都曾获得过诺贝尔奖，奥本海默则从未获此荣誉。此外，人们也对奥本海默的安全等级有所顾虑。他认识许多共产主义者，有妻子凯瑟琳·奥本海默、女友琼·塔特洛克和弟弟弗兰克·奥本海默（英语：）。1942年10月，在火车上促膝长谈一番后，格罗夫斯和尼科尔斯意识到奥本海默十分了解在荒郊野外建立实验室会面临的问题，决定选他为负责人。1943年4月20日，格罗夫斯免除奥本海默的安全要求并为他签发了安全许可。
组织 > 与英国合作

条目：英国对曼哈顿计划的贡献
刚开始英国和美国在核能方面仅仅有信息交流，但并没有合作。1941年，布什和科南特希望与英国共同合作进行代号合金管工程的计划但被拒绝了，因为英国希望保持自己在核技术层面的领先地位，不想让美国先一步研制出原子弹。一位美国科学家亲赴英国，给丘吉尔送去一封罗斯福以个人名义写的信，信中表明若英美愿意合作，美国愿支付由此产生的一切研发费用。但是那名科学家在英国遭冷眼相待，丘吉尔也没有回复那封信。于是，美国1942年4月就决定，如果他们在英国遭拒的话就孤军奋战到底。不过，英国当时在战争早期投入了大量的精力，彼时资源已经消耗殆盡，实在无法一边顾全自身战局一边投身科研项目中，于是合金管工程的进度很快就落后于美国了。1942年7月30日，合金管工程负责人約翰·安德森向丘吉尔谏言：“我们必须直面事实……[我们的]科研……优势在缩水。要是不好好利用仅剩的这点优势的话，我们就要被迎头赶上了。现在加盟美国的话，我们还有拿得出手的成果，再晚点儿我们可就什么也贡献不出了。”该月，丘吉尔和罗斯福会面，并达成了非正式的口头共识，决定开始在原子弹科研方面展开合作。
不过，此时此刻，英美双方已经不能说是在对等合作了。1942年8月，英国想要不费分文地取得曼哈顿计划的一部分实质控制权，但遭美国拒绝。到了1943年，英美两国在核武器研发计划中扮演的角色与1941年下半年那时相比几乎完全反过来了；该年1月，科南特告知英国说英方除了在几个特殊地区之外无权再接触任何核武器相关的信息。科南特和布什还对英方称这是“上级的命令”。英国对丘吉尔和罗斯福所定的协议的作废感到很震惊，但加拿大国家研究委员会委员长C·J·麦肯兹（英语：）则觉得这还在意料之中，写道“我总觉得和美国人比起来，英国人把自己对原子弹的贡献看得太重了些。”
英国在曼哈顿计划中的地位每况愈下；美国科学家已经决定他们不再需要任何外援了，而且他们也不想让英国战后开发核能源用作商业用途，更不想在战后和英国结成核能联盟。军事政策委员会支持在战争期间加大对英国的保密力度，尤其要对原子弹设计方案三缄其口，哪怕这么做会放慢曼哈顿计划的进度——他们决定，只对英国开放会对核武器制造计划有帮助的信息，别的一律保密。罗斯福也同意了。到了1943年初，英国不再向美国输送任何研究成果、学者，美国也因此中断了所有的信息共享。英国曾考虑过让加拿大停止生产铀和重水来逼迫美国重新开放信息共享，可加拿大本来就是在靠着美国的物资才能生产这些资源，这一胁迫也是毫无意义。英国也考虑过自主研发核武器，但又认为工期漫长，无法左右欧洲战局。
1943年3月，科南特认为英国还是可以协助曼哈顿计划的实施的。比如，詹姆斯·查德威克等若干名英国科学家会对洛斯阿拉莫斯的原子弹研制工作组大有帮助，值得去冒核武器设计机密外漏的风险。1943年8月，丘吉尔和罗斯福共同签订《魁北克协定》，重启英美科学家双边合作。不过这回，英国同意不接触制造原子弹必须的大规模原料生产工厂的机密数据。1944年9月的《海德公园备忘录》则将这一合作关系延续到了战后。《魁北克协定》还成立了联合政策委员会（）用以协调美国、英国、加拿大三方的合作关系，由史汀生、布什、科南特代表美国，约翰·迪尔陆军元帅、约翰·杰斯廷·卢埃林上校代表英国，克拉伦斯·迪凯特·豪代表加拿大。卢埃林在1943年年底回到英国，他在联合政策委员会的位置被罗纳德·伊恩·坎贝尔（英语：）取代，随后又在1945年年初由英国驻美国大使哈利法克斯伯爵接替。约翰·迪尔1944年11月在华盛顿特区过世，陆军元帅亨利·梅特蘭·威爾遜接任英国联合参谋代表团（英语：）参谋长和联合政策委员会成员。
《魁北克协定》落实后，美国在曼哈顿计划的进展让英国吃惊不已。美国当时已经在计划中投入超过10亿美元（合2020年的122亿美元），而英国在1943年才将将投入50万英镑而已（合2021年的2,392万英镑）。查德威克要英国全心全意投入到曼哈顿计划的研发工作中，不要再指望英国在战争期间还能独立研制出原子弹。在丘吉尔的支持下，查德威克保证尽可能滿足格罗夫斯的每个请求。1943年12月赴美的英国科学家有尼尔斯·玻尔、弗里施、克勞斯·富赫斯、佩尔斯和欧内斯特·蒂特顿（英语：）。1944年年初又来了一大批科学家。那些分到气体扩散研究的科学家在1944年秋时便离开了项目；不过在伯克利，劳伦斯和奥利芬特手下的35名科学家被重新分配到还在运作的实验室裡，绝大部分人待到了战争结束后才离开。被派往洛斯阿拉莫斯实验室的19人也被划到尚在运作的实验室中，主要负责研究内爆与炸弹组装，但不涉及到钚弹。魁北克协定还要求，在徵得美国和英国的同意之前，禁止对其他国家使用核武器。1945年6月，在威尔逊的同意下，联合政策委员会共同决定对日本使用原子弹。
1944年6月，联合政策委员会建立了联合发展信托（英语：），由格罗夫斯任主席，负责从国际市场采购铀矿和钍矿。比屬剛果与加拿大拥有东欧以外地区的大部分铀矿，而比利时流亡政府当时正设立在伦敦。鉴于美国的科研机密限制，比利时铀矿的绝大部分都没法为英国所用，英国也就同意将这些矿石让给美国。1944年，联合发展信托从比屬剛果的矿厂购入了3,440,000英磅（1,560公噸）的氧化铀矿石。他们开设了一个特别账户，可以规避信托通常需要面临的审计和监管环节，以此避免将曼哈顿计划透漏给美国财政部长小亨利·摩根索。从1944年到格罗夫斯在1947年辞掉信托主席职务为止，他累计向账户中存入3750万美元。
格罗夫斯对英国早期的原子能研究和英国科学家在曼哈顿计划上给予的支持与帮助表示赞赏，但他也认为美国无需依靠英国插手也能完成任务。他还提到，丘吉尔是“原子弹计划的最好的朋友，[因为]他让罗斯福对计划保持兴致……丘吉尔天天叨扰他，跟他说自己觉得这个计划是多么至关重要。”
战争结束后，1946年，《原子能法案》生效，英美合作暂时中断，英国也开始了自己的独立核武器项目（英语：）。英国在战争期间参与的曼哈顿计划对这一本土研究项目帮助极大。
项目地点 > 橡树岭

条目：克林顿工程师工程
上任后的第二天，格罗夫斯与马歇尔上校一同搭乘火车前往田纳西州去视察项目选址，并对结果感到颇为满意。1942年9月29日，美国临时战争部长（英语：）罗伯特·P·帕特森批准工程兵团用3500万美元的价格征收56,000英畝（23,000公頃）的土地，后又额外加了一块3,000英畝（1,200公頃）的土地。征收令在10月7日生效，波及到大约一千个家庭。人们为此抗议、上诉，甚至国会在1943年都出面调查，但都未能影响这一决定。11月中旬，法警在农场房屋门上钉入搬迁通知，建筑工人也陆陆续续搬入。有的人被要求在两周内举家搬离自己世代居住的祖屋；有人因1920年代设立大煙山國家公園、1930年代修建诺里斯大坝才搬入此地没多久。该土地征收令一直执行到1945年3月才陆陆续续到了尾声，总花费只有260万美元，合每英亩47美元。时任田纳西州州长（英语：）普伦蒂斯·库珀接到将橡树岭划为绝对军事禁区的第二号公告（）时曾勃然大怒，把文件撕了个粉碎。此地有段时间被称为金斯顿拆迁区（），后于1943年初正式更名为克林顿工程师工程（），代号。石威负责修建工厂；SOM建築設計事務所则设计建造了一个能容纳13,000人的住宅区，位于黑橡树岭（）的山坡上，后来兴建的橡树岭镇因此得名。
1943年8月，尼科尔斯取代马歇尔成为曼哈顿工程区区监后，陆军在橡树岭的活动愈加频繁。他上任后直接将计划的总部迁至橡树岭，但并没有将“曼哈顿工程区”的名称改掉。1943年9月，橡树岭所在的羅恩縣和安德森縣的住宅区物业被外包给特纳建筑公司（英语：）的子公司羅恩-安德森公司。小威廉·J·威尔科克斯（William J. Wilcox Jr.）和瓦伦·富赫斯（Warren Fuchs）等化学工程师被要求“玩命”将铀-235浓缩至10%-12%（这种铀被称作“天然铀”），该项目安保级别很高，物资申请也批得很快。橡树岭的人口增长很快超过了原先的预期，在1945年5月时达到了最高点7.5万人；克林顿工程师工程一共雇有8.2万人，羅恩-安德森公司雇有1万人。艺术摄影师约瑟芬·赫里克（英语：）和她的同事玛丽·斯蒂尔斯（Mary Steers）在橡树岭负责记录该地运转状况。
项目地点 > 洛斯阿拉莫斯

条目：Y计划
曼哈顿计划曾考虑过将Y计划也放在橡树岭，但最终还是决定另寻他处。奥本海默建议在新墨西哥州阿布奎基附近进行Y计划，他在该地有一间农场。1942年10月，曼哈顿区约翰·达德利（英语：）将军受命前往该区域调查，并推荐了新墨西哥州赫梅斯斯普林斯 (新墨西哥州)附近的一处地点。11月6日，奥本海默、格罗夫斯、达德利等人参观了此处，但奥本海默担心四周高耸的绝壁会让人幽闭，工程师们则担心有可能发大水。随后，一行人来到了洛斯阿拉莫斯农场学校（英语：）附近。奥本海默瞬间喜欢上了这个地方，大赞特赞这里的自然风光和桑格雷克里斯托山脉的美景，希望这可以鼓舞士气。工程师们则觉得该地除了交通、供水问题外别的都十分理想。
1942年11月25日，帕特森批准了Y计划的征地申请，并批下44万美元用于购买54,000英畝（22,000公頃）的地皮，这其中只有8,900英畝（3,600公頃）的面积当时不属于联邦政府。农业部长克劳德·韦克特（英语：）将一片45,100英畝（18,300公頃）的国家森林局所有土地划给戰爭部临时使用，“前提是的确有军事活动方面的需求”。后来，曼哈顿陆陆续续购入新的地皮用于修路，后来又买了一些来架设拥有优先通行权的电缆，电缆全长25英里（40）。加上这些，曼哈顿在战争期间购入土地总面积为45,737英畝（18,509.1公頃），但只花费了414,971美元。建设工程由亚利桑那州图森的M·M·桑特公司（）承包，新墨西哥州圣菲威廉·C·克鲁格事务所（英语：）负责建筑与工程设计。1942年12月，Y计划正式动土。格罗夫斯一开始计划在1943年3月15日竣工，拨款30万美元用于建设，是奥本海默估算的三倍。不过很快，人们意识到Y计划的范畴远比先前预想的要大，最后桑特公司在1943年11月30日才完工，花费超过700万美元。
洛斯阿拉莫斯因保密需要被称为“Y地点（）”或“小山（）”。战争期间，降生在洛斯阿拉莫斯的孩子的出生地点均被登记为“圣菲1663号邮政信箱”。洛斯阿拉莫斯实验室成立之初是作为军事实验室运转的，奥本海默等研究人员理论上来说应获授陆军军衔。奥本海默甚至给自己订了一身少校军装，但两个重要的物理学家罗伯特·巴彻和伊西多·拉比则不喜欢这一安排。科南特、格罗夫斯、奥本海默随后让步，将实验室交给加州大学接管，并订立合约让实验室继续效命战争部。
项目地点 > 芝加哥

条目：芝加哥大学冶金实验室
1942年6月25日，一个陆军与科学研究与开发办公室共同组建的委员会决定在芝加哥西南方向的红门森林（英语：）盖一座炼钚先導工場。7月，尼科尔斯从库克县森林保护区（英语：）租来1,025英畝（415公頃）的地皮，代号“阿尔贡”（Argonne），由詹姆斯·F·格拉夫顿上尉（）担任芝加哥区区监。后来人们很快意识到这些作业工程规模庞大，这点面积根本不够用，便把工厂迁到橡树岭，在芝加哥留下部分科研测试设施。
考虑到红门森林工厂的工期推迟，康普顿批准在芝加哥大学设立冶金实验室，位于该校斯塔格体育场（英语：）的看台下方。核反应堆要用到大量的石墨块和铀芯块，但当时纯铀供应量很小。爱荷华州立大学的弗兰克·斯佩丁（英语：）只造出2短噸（1.8公噸）的纯铀，西屋灯具厂（英语：）轮班倒才又赶制了3短噸（2.7公噸）的铀金属。固特异轮胎公司制造了一个巨大的方形气球，可以将反应堆包裹起来。1942年12月2日，费米带领的团队成功让实验核反应堆“芝加哥1号堆”达到临界值，引发世上首个人工自持核链式反应。康普顿给远在华盛顿特区的科南特通电话报喜时说：“意大利航海家费米刚刚抵达新大陆。”
1943年1月，格拉夫顿的接任者阿瑟·V·彼得森（英语：）少校觉得把核反应堆放在人口密集的区域太危险了，便下令将芝加哥1号堆迁到红木森林。1944年5月15日，史上首座重水核反应堆芝加哥3号堆（英语：）在阿贡达到临界值。战后，红木森林还在运转的科研设施被迁至约6英里（9.7）开外的新地点，形成了后来的阿尔贡国家实验室。
项目地点 > 汉福德

条目：漢福德區
1942年11月，格罗夫斯将杜邦选作炼钚设施建设的主要承包商。政府最开始想和杜邦签一份标准的成本加固定酬金合同（英语：），但杜邦总裁小沃尔特·S·卡彭特（英语：）却不求任何利润，还要求修改合同不让杜邦获得任何专利权。这一要求被准许了，不过因法律原因合同上还是列了一美元的名义费用。战争结束后，杜邦要求尽早终止合同，并为此付还33美分。
到了该年12月，担心橡树岭发生重大核事故而殃及池鱼的人越来越多，虽然事故几率很小，但橡树岭距离人口密集的诺克斯维尔还是太近了。杜邦建议将新建的工厂搬得离橡树岭远远的。该月，格罗夫斯命令富兰克林·马赛厄斯上校和杜邦的工程师新物色一个合适的厂址。在报告中，马赛厄斯称华盛顿州里奇兰的漢福德區“各方面都堪称完美”。汉福德人迹罕至，位于哥倫比亞河畔，可为炼钚反应堆提供充足的冷却水。格罗夫斯在1月考察该地，并设立了汉福德工程师工程（），代号“W地点”（Site W）。
临时战争部长帕特森在2月9日批准了汉福德区的设立，并划了500万美元用于征收40,000英畝（16,000公頃）的土地。联邦政府迁走了住在怀特布拉福斯（英语：）和汉福德（英语：）附近的居民，以及在该地活动的瓦纳普姆（英语：）等部落，共计约1500人。有当地农民在土地征收前已在农田里完成播种，在搬迁期间因未能就补偿问题达成共识而与政府发生纠纷。时间上错得开的时候，陆军允许农民入场进行收割活动，但不是所有人都能获准进入军事禁区。整个土地征收断断续续一直持续到了曼哈顿计划正式宣告结束的前夕，1946年12月。
不过，土地征收的纠纷并没有拖延工期。彼时，冶金实验室尚未完成核反应堆的设计，杜邦虽然无法给出计划的准确工期评估，但仍然在1943年4月开始修建工厂，预计容量2.5万名工人，其中一半工人需要住在工厂的宿舍里。到了1944年7月，杜邦已经盖了1200多栋楼，大约5.1万人居住在施工营地里。作为区工监的马赛厄斯负责监督、管控整个汉福德区。汉福德区的施工营地一度是华盛顿州第三大人口聚集区，公交车路线超过900条，比芝加哥市的还要多。和洛斯阿拉莫斯、橡树岭一样，里奇兰设有门禁、围栏，限制人员流动，但它看起来很像战争期间兴旺起来的普通小镇，没有什么大张旗鼓的军事活动，高墙、塔台、看门狗等事物也不多见。
项目地点 > 加拿大地点

条目：蒙特利尔实验室
项目地点 > 加拿大地点 > 英属哥伦比亚省

科明科公司自1930年以来便一直在英属哥伦比亚省特雷尔市设有工厂生产电解氢。1941年，尤里提出要让科明科生产负责生产重水。该工厂作业线价值1000万美元，拥有3215个电解槽，消耗水能电力75MW，联入次级电解槽后可将水中的氘含量从2.3%提升至99.8%。普林斯顿大学的休·泰勒（英语：）为该生产线的前三座搅拌塔设计了一种碳负载铂催化剂，尤里则研发出镍铬催化剂，用于第四座搅拌塔。最终，项目的总花费280万美元。加拿大政府在1942年8月才正式被告知该项目的施行。特雷尔市的重水生产线从1944年1月开始一直运行到1956年，生产出的重水被用于史上首座使用重水和天然铀的反应堆——芝加哥3号堆。
项目地点 > 加拿大地点 > 安大略省

安大略省在远离人烟的粉笔河设立了一座实验室，用来分流盟军在蒙特利尔实验室的科研计划，深河市（英语：）也为此兴建了一个社区，方便实验室工作人员的衣食住行。这一选址考虑到其距离安大略和魁北克的工业园区很近，附近铁路更可直达大型军事基地佩塔瓦瓦营（英语：），且位于渥太华河畔，不愁用水。粉笔河实验室的首任主管是汉斯·冯·哈尔班（英语：）。1944年5月，约翰·考克饶夫接替了他的职位，后又在1946年9月传给班尼特·刘易斯（英语：）。该实验室设计制造了加拿大首座核反应堆——零能量重水试验反应堆，也是首次有美国之外的国家成功研发出核反应堆。1945年9月，ZEEP达到临界值，后又持续被用于科研活动中，一直运转到1970年才中止。粉笔河实验室在战争期间还设计了另一座规模更大的核反应堆NRX（英语：），功率10MW，在1947年7月达到临界值。
项目地点 > 加拿大地点 > 西北地区

埃尔拉多矿场（英语：）坐落在大熊湖附近的镭锭港（英语：），出产铀矿。
项目地点 > 重水生产地

条目：P-9计划
杜邦虽更偏爱氦冷石墨减速剂核反应堆，但为确保万无一失，一旦石墨核反应堆设计行不通就改用重水反应堆。经计算，每月为此至少需要生产3短噸（2.7公噸）的重水，官方代号“P-9计划”的重水生产项目也就此应运而生。特雷尔在建的重水工厂每月产能只有0.5短噸（0.45公噸），达不到重水反应堆的需求量。格罗夫斯因而准许杜邦在以下地点附近架设重水生产设施：摩根敦军械工程（，临近西弗吉尼亚州摩根敦）、沃巴什河军械工程（临近印第安纳州達納和紐波特）和阿拉巴马军械工程（英语：）（临近阿拉巴马州柴尔德斯堡和锡拉科加）。这批工厂虽冠以“军械工程”之名、依照陆军军械兵團合约运行，但实则由陆军工兵部队修建、运营。美国的重水处理流程和加拿大特雷尔的有所不同——重水因沸点略高，能够以蒸馏的方式制得。
铀 > 矿石

铀是曼哈顿计划的一大关键原材料，可用作核反应堆的原料和钚的合成，浓缩后还能直接用到原子弹里。1940年，世界上已探明的大型铀矿田有四处，分别位于美国科罗拉多、加拿大北部、捷克斯洛伐克亞希莫夫和比屬剛果，其中除了亚希莫夫外其他的都在盟军的控制之下。1942年11月的调查显示，可用的铀矿能够满足曼哈顿计划的所有需求。尼科尔斯与美国国务院协调，限制氧化鈾的出口，并从比属刚果购入1,200短噸（1,100公噸）铀矿，一部分存在史泰登岛仓库里，另一部分留在刚果。他也和埃尔拉多金矿公司（英语：）达成购买协议，采购其位于安大略省霍普港（英语：）精炼厂的矿石，并由埃尔拉多负责分批运输，每批100吨。加拿大政府则为此购入埃尔拉多的股票，取得控制股权。
虽说这些采购项目足以应付战时需求，但为了谋求利益最大化，英美两国希望尽量取得全世界所有铀矿田的控制权。埃德加·西格尼尔（英语：）是比属刚果欣科洛布威（英语：）矿场所属公司上加丹加联合矿务（英语：）的总裁，当时欣科洛布威矿场的铀矿资源最为丰富，但却遭大水淹没、被迫关闭。尼科尔斯没能说服西格尼尔让矿场恢复开采活动，自然也没能让矿场继续向美国出口矿石。联合政策委员会便接手此事。上加丹加联合矿务有30%的股权在英国手里，英国于是牵头开展谈判工作。1944年5月，约翰·安德森与约翰·怀南特大使与西格尼尔和比利时政府达成协议，让矿场恢复运营，并以1.45美元/磅的价格收购1,720短噸（1,560公噸）的矿石。为了让美国不依赖英国和加拿大的矿石，格罗夫斯从美国钒业公司（英语：）位于科罗拉多州铀钒镇的矿场购入800短噸（730公噸）矿石。
密苏里州圣路易斯市的万灵科负责处理原矿石，将原材料放入硝酸溶化，生成硝酸铀酰。随后利用醚，通过液-液提取法将杂质从硝酸铀酰中分离，再经过加热得到三氧化铀，最后还原为高纯度二氧化鈾。1942年7月的时候，万灵科每日可生产1整吨高纯度氧化铀，但另外两个承包商，西屋电气和金属氢化物公司（），在将氧化铀转化为铀金属时屡屡受挫，导致铀产量极低，质量也不达标。冶金实验室为此在爱荷华州埃姆斯市的爱荷华州立大学成立了特别科研小组“埃姆斯计划”，由弗兰克·斯佩丁领导，用来研究氧化铀转铀金属的替代方案，其研究成果“埃姆斯过程（英语：）”在1943年问世。
埃姆斯的炼铀过程
一个压力容器正被降入炉中。压力容器被称为“炸弹”，内装有卤化铀和保护性金属（英语：）（可能是镁）
反应结束后，“炸弹”的内部布满爐渣
还原反应产出的铀金属，被称为“饼干”
铀 > 同位素分离

自然界中，99.3%的铀元素是铀-238，0.7%是铀-235，二者的化学性质完全相同，但只有铀-235可以裂变，因此需要被从天然丰度更高的铀-238中分离出来。人们提出过若干种将铀浓缩的方法，其中大部分在橡树岭施行。
最容易想到的离心分离法并未取得成效，但其他的几个分离法——电磁分离法、气体扩散法、热扩散法——均取得了有效进展，在曼哈顿计划中得到了实际应用。1943年2月，格罗夫斯提出将某些工厂的产物用作另一些工厂的生产原材料。
铀 > 同位素分离 > 离心分离法

1942年4月时，离心法被认为是唯一有希望成功的分离法。弗吉尼亚大学的杰西·比姆斯（英语：）早在1930年代便已研究出这一分离法，但还是有一些技术难关亟待攻克。离心分离法需要离心机以高速运转，但是在某些特定的速度下会产生谐波振动，可导致机械损毁解体。因此，离心机在加速时需要提高加速度来避过这些速度。1941年，比姆斯开始使用六氟化铀，这是唯一已知的气态铀化合物，并成功分离出铀-235。在哥伦比亚大学，卡尔·科恩（英语：）奉尤里之命详细研究了这一过程，又提出了一系列数学理论佐证建设离心分离装置的可行性。西屋电气负责承建离心分离装置。
不过，科恩的方案在大规模生产时面临巨大的挑战。尤里和科恩估计，如果每天生产1千克铀-235，那么就需要用到5万台1米转子的离心机，或使用1万台4米转子的离心机（前提是造得出4米的转子），怎样让如此之多的转子连续高速运转便是一大难题。此外，比姆斯用实验设备预演时仅获得了预期产出的60％，意味着工厂需要更多的离心机，让这一问题雪上加霜。然后，比姆斯、乌里和科恩开始研究改进措施，希望提高该过程的效率，但是高速电机、轴和轴承屡屡故障，致使先导工厂的工期一拖再拖。1942年11月，在科南特、尼科尔斯和石威公司的奥古斯特·C·克莱因（）的建议下，军事政策委员会放弃了离心分离法。
尽管曼哈顿计划没有采用离心分离法，但战后苏联工程师和被俘的德国工程师共同在苏联开发了Z型离心机，让该方法的研究取得了显著进展。它最终成为铀同位素分离的首选方法，比第二次世界大战期间使用的其他分离法都经济得多。
铀 > 同位素分离 > 电磁分离法

条目：电磁型同位素分离器
电磁同位素分离法由劳伦斯在加州大学放射实验室（）研发设计。该方法中会用到电磁型同位素分离器，这一设备由标准实验室用的质谱分析仪和回旋加速器磁铁结合而来。这一方法需要用到电磁力，利用磁场让带电粒子发生偏转，其偏转角度因质量不同而有所区别。这一过程的原理不但在学术上不够简洁了，而且效率达不到工业生产需要。和气体扩散工厂和核反应堆比较，电磁分离工厂不但建造过程斥资庞大，而且消耗更多的稀有资源，还需要更多人手进行操作。不过，这一方案还是获得了批准，因为它基于已被证实可用的技术原理，因而风险更小。而且，电磁分离工厂可以分期建造，能很快达到工业生产所需规模。
马歇尔和尼科尔斯了解到，电磁同位素分离需要用到5,000短噸（4,500公噸）的铜，但铜当时算是稀缺资源；不过铜可以用银按11:10的比例替换。1942年8月3日，尼科尔斯与财政部副部长（英语：）丹尼尔·贝尔（英语：）见面，希望西点金银储藏处能提供6,000吨银条。“小伙子，”贝尔说，“你可能用‘吨’来计量银条，不过财政部这里是用金衡制盎司来点数的！”最终，曼哈顿计划用掉了14,700短噸（13,300公噸；430 × 106金衡制盎司）银条。
银条每块重1,000金衡制盎司（31），被做成圆柱形的金属块，运往新泽西州百威区（）的费尔普斯-道奇公司（英语：）并重铸为长40英尺（12）、截面0.625×3英寸（15.9×76.2）的长条，又在威斯康星州密尔沃基的艾利斯查尔默斯公司被绕到励磁线圈上。战争结束后，人们拆掉机器、清洗部件、撬开地板，收集生产过程中掉落的碎银。最后经过统计，银总共只流失约1/3,600,000。1970年5月，所有的银均被收回。
S-1执行委员会将Y-12电磁分离法工厂的建设工程划给石威执行。设计图显示，人们需要建立五个被称为“Alpha粒子轨道”（）的一级处理器，以及两个被称为“Beta粒子轨道”（）的最终处理器。1943年9月，在格罗夫斯的批准下，Y-12新添了四个粒子轨道，编号“Alpha II”。1943年2月，Y-12正式动土。
该年10月，工厂进入试运行阶段。在磁线圈吸引下，重达14吨重的真空罐被拽离了原有的位置，人们不得不将其进一步加固。磁线圈后来还发生了更为严重的短路问题。12月，格罗夫斯命人打开一块磁铁，发现里面锈迹满满，便下令拆开粒子轨道，将磁铁运回工厂进行清洗。Y-12还在现场设了一座酸洗工厂，用来清理管道和其他配件。1944年1月，Alpha I的2号粒子轨道才正式开始运作；3月，Alpha I的3号、Beta的1号粒子轨道投入使用；4月，Alpha I的4号粒子轨道开始运转；7月至10月间，Alpha II的四个粒子轨道全部开始运行。
田纳西伊士曼（英语：）负责管理Y-12，酬金按其所签订的成本加固定费用合同来算，每月22,500美元，头七座粒子轨道每月每座7,500美元，后添的粒子轨道每月每座4,000美元。一开始，加速器由伯克利的学者维护，以方便调试程序、改善运转速率。后来田纳西伊士曼训练了一批只有高中学历的操作员来接替他们的任务。尼科尔斯在对比前后产量后对劳伦斯说，这些年轻的“乡巴佬（英语：）”女操作员比那些博士干得更加出色。他们甚至为此搞了场生产竞赛，结果劳伦斯败了，极大地鼓舞了田纳西伊士曼的员工的士气。女操作员“被教导像士兵那样，干事情不要问为什么”，而“那批学者老是忍不住花大把的时间去斤斤计较微乎其微的仪表波动”。
Y-12最开始产出的铀-235成品的纯度为13%－15%，1944年3月将第一批数百克成品运至洛斯阿拉莫斯。铀料的产率只有1/5,825，剩下的大部分都在生产过程中溅到设备上了。后来人们努力回收原料，在1945年1月时产率已提高到了10%。2月，Alpha粒子轨道开始采用新建成的S-50热扩散工厂的产出作为原料进行再加工，这些原料经过前一步的浓缩，其纯度已达到1.4%。3月，Y-12开始用纯度5%的K-25气体扩散工厂产物作生产原料。该年8月，K-25的铀纯度已高到可直接送进Beta轨道了。
铀 > 同位素分离 > 气体扩散法

条目：K-25
气体扩散法是当时最具挑战性的同位素分离法。依照格雷厄姆定律，气体的瀉流速率和分子量的平方根成反比，因此装有膜的容器中若混有两种气体，那么轻的气体分子会比重的分子通过的速度更快，因此通过膜的气体中，分子量小的气体纯度会上升，而大的浓度会下降。而K-25的设计原理也是基于此现象，通过将一系列容器串接起来，再装上气泵和膜（气栅），就能将原料一层层浓缩起来。相关科研工作由哥伦比亚大学的哈罗德·尤里、卡尔·科恩（英语：）、约翰·邓宁等人进行。
1942年11月，军事政策委员会批准建立一座气体扩散法工厂，可将铀原料一层层渗透600阶。12月14日，M·W·凯洛格公司受雇修建代号“K-25”的工厂，与政府签订了成本加固定酬金合同，总佣金250万美元。他们为此另开了一家公司，由凯洛格的副总裁珀西瓦尔·C·凯思（）负责领导。气体扩散法在技术上困难重重。鉴于没有其他合适的原料，人们需要对腐蚀性极强的六氟化铀气体进行加工，为此马达和气泵必须真空密封，置入惰性气体。最大的问题在于气栅的设计——气栅材料需坚固、多孔，能尽量不受六氟化铀气体的腐蚀，当时发现最好的材料是镍。爱德华·阿德勒（）和爱德华·诺里斯（）将电镀镍做成网状栅。哥伦比亚大学为建了座六阶先导测试工厂测试网状栅的效率，但网状栅极易损毁，并不尽如人意。Kellex、贝尔电话实验室和贝克莱特公司（英语：）用镍粉研制出了另一种气栅。1944年1月，格罗夫斯下令将Kellex的气栅投入使用。
在K-25的设计图中，Kellex设计了一个四层高、0.5英里（0.80）长的U型结构，由54座联排建筑构成，分为九大区。K-25内设有六阶处理器，既可独立运行，也可以和同一区域内其他处理器相互串联。九大区也可以独立或串联运转。1943年5月，一个调查组在这片500英畝（2.0平方）的土地上打记号，正式开始施工。1943年10月，K-25主建筑动土施工。1944年4月17日，该工厂全部六阶处理器均开始准备投入使用。1945年，格罗夫斯关闭了工厂的高阶处理器，并要求Kellex改为设计建造一个540阶的辅助原料处理单元K-27。1945年9月11日，Kellex将修建完成的建筑转交给运营承包商美国联合碳与碳化物公司。包括战后完工的K-27工厂在内，气体扩散法的总花费达到4.8亿美元。
厂区在1945年2月开始运转。随着技术的日新月异，工厂的产出品质量也越来越高。到了1945年4月，K-25的铀-235纯度已达到1.1%，并开始采用S-50热扩散法工厂的产出物作为加工原料。5月，部分产出品的纯度甚至达到了近7%。8月，剩下的2,892阶处理器全部投入使用。K-25和K-27的效率在战后早期达到峰值，效率超过其他同位素分离厂一大截，成为新一代工厂的原型。
铀 > 同位素分离 > 热扩散法

热扩散处理法的原理出自西德尼·查普曼和大卫·恩斯科格（英语：）的理论（英语：），该理论指出当混合气体通过温度梯度环境时，较重的气体会聚集在低温端，而较轻的会聚集在高温端。而热气会上升，冷气会下降，这样一来就可以分开两种同位素形成的气体了。该分离法在1938年由德国科学家克劳斯·克卢修斯（英语：）和格哈德·迪克尔（）率先提出。美国海军将热扩散法进一步研究，但当时人们对其技术可行性持怀疑态度，而且当时美国陆军和海军之间互相较劲，于是曼哈顿计划最开始并未采纳热扩散法。
在菲力普·艾貝爾森的牵头下，海軍研究實驗室继续进行热扩散法的有关研究。1944年4月，负责洛斯阿拉莫斯军械研发的海军上尉威廉·S·帕森斯（英语：）向奥本海默介绍了海军在热扩散法的喜人成就，海军的相关研究才重归人们的视野。在写给格罗夫斯的信中，奥本海默建议将热扩散法的产出直接用于Y-12工厂里。格罗夫斯为此组了个临时委员会研究这一提议，成员有沃倫·肯德爾·路易斯、埃格尔·默弗里和理查德·托尔曼。经委员会估算，热扩散工厂耗资350万美元，每周可将50（110英磅）的铀浓缩至0.9%。1944年6月24日，格罗夫斯批准了热扩散工厂的建设。
格罗夫斯与俄亥俄州克利夫兰的H·K·弗格森公司（）定下合同，修筑这座代号“S-50”的热扩散法工厂。格罗夫斯的顾问——卡尔·科恩和标准石油公司的W·I·汤普森（）——预估这座建筑要花六个月才能修好，但格罗夫斯只给了弗格森四个月的时间。依照设计，S-50要用到2142座48英尺（15）高的热扩散柱，分装在21个架子上。每座柱子里还装有三个同心管道。附近的K-25发电站产生的蒸汽以100磅力每平方英寸（690千帕斯卡）的压强、545 °F（285 °C）的温度从最内部的1.25英寸（32）镍管中通过，而155 °F（68 °C）度的水从最外侧的铁管中流过。人们将六氟化铀气体鼓入夹在中间的铜管，让同位素分离反应发生在镍管和铜管之间。
1944年7月9日，S-50正式动土；9月，S-50便进入了部分运营的阶段；1945年3月，工厂所有的热扩散柱均投入使用。弗格森通过子公司Fercleve运营工厂。1944年10月，工厂产出的铀-235的纯度达到0.852%，总质量10.5英磅（4.8）。但后来工厂出现泄露事故，并为此停摆了好几个月。不过1945年6月，工厂产出量已达12,730英磅（5,770）。最开始，只有S-50的产出被用作Y-12的原料，但到了1945年3月，曼哈顿计划将三座热扩散法工厂串到了一起——先是由S-50将原料从0.71%浓缩到0.89%，接着再由气体扩散法工厂K-25浓缩到23%，最后再转接给电磁分离法工厂Y-12并浓缩到89%左右。这个纯度的铀已经可用于核武器制造。
铀 > 铀-235总产量

1945年7月，洛斯阿拉莫斯总共收到50千克的浓缩铀，其铀-235的纯度为89%。这50千克铀与一些纯度50%的浓缩铀混在一起，最终纯度为85%，全部装填在了小男孩原子彈中。
钚

曼哈顿计划作的第二手准备是另一种可裂变的元素——钚。虽然自然界中也存在一些天然的钚，但若想大量获取钚，最简单的方式还是在核反应堆里用中子轰击天然铀。铀-238通过核嬗变变为铀-239，之后很快衰变，先变成镎-239，然后变成钚-239。但整个过程中能最终变成钚的铀只有一小部分，所以必须要用化学方法把钚从残留的铀、原料中的杂质和核裂变产物里分离出来。
钚 > X-10石墨反应堆

条目：X-10石墨反应堆
1943年3月，杜邦开始在橡树岭建设一座112英畝（0.5平方）的钚厂，作为在汉福德区大规模生产钚的试验工厂。该厂内拥有空气冷却的X-10石墨反应堆、化学分离厂和一些辅助设施。后来人们决定在汉福德区修建水冷反应堆，因此只有化学分离厂真正起到了先导工厂应有的作用。X-10石墨反应堆有一块长宽高均为24英尺（7.3）的石墨块，总重1,500短噸（1,400公噸），包裹在7英尺（2.1）厚的高密度混凝土中减小辐射。
该反应堆面临的最大挑战是万灵科和金属氢化物公司生产的铀燃料棒。这些燃料棒需要镀铝防止腐蚀，同时也能避免裂变燃料进入冷却系统中。格拉塞利化学公司（）想要研制一种热浸处理法但并未成功。美铝还尝试了包壳法。他们开发了一种无焊剂焊接法，有97%的包壳都通过了标准真空测试，但高温测试的失败率超过50%。尽管如此，1943年6月，生产线还是开始运作了。冶金实验室在通用电气的帮助下改善了焊接技术，在1943年10月应用到生产线上。
在费米和康普顿的监视下，X-10石墨反应堆于1943年11月4日达到临界值，用了大约30短噸（27公噸）的铀。一周后，核反应堆负荷量升至36短噸（33公噸），功率升至500kW，月末时产出500毫克钚。人们不断地完善技术，到了1944年反应堆功率已达到4,000kW。X-10作为生产工厂一直运转到了1945年1月，后改为科研活动之用。
钚 > 汉福德反应堆

条目：汉福德区
橡树岭为了赶工期用给反应堆用了气冷，但大规模生产中这一冷却方法并不可取。冶金实验室和杜邦最开始想用氦冷，但后来为了省钱省时省力而改用水冷。水冷的设计方案在1943年10月4日才正式完成，在此之前富兰克林·马赛厄斯一直忙着修缮汉福德区，建住房、修路、造支路铁轨，还升级了电缆、水管和电话线。
和在橡树岭遇到的困难类似，1944年3月汉福德在开始包壳铀燃料棒时遇到了重重挑战。这些铀燃料棒均经过酸洗去除泥土等杂质，又浸过融化的铜、锡和铝硅合金（英语：），再用液压机压过，并在氩气中用電弧焊封住焊口，最后再经过重重测试，确保没有焊接问题。最开始燃料棒合格率极低，每天只有寥寥数根能通过测试。不过1944年6月燃料棒质量稳步上升，看情况似乎能赶得上原定1944年8月启用的B反应堆。
1943年10月10日，B反应堆大楼动工。B反应堆是计划修筑的六座250MW核反应堆中最先动工的一个。这些核反应堆从A到F以英文字母编号，其中B、D、F最先开工，以便给各反应堆之间预留最大的空间。曼哈顿计划期间也只修了这三座反应堆。
1944年2月，人们开始修筑B反应堆本身。1944年9月13日，在康普顿、马赛厄斯、杜邦的克劳福德·格林沃尔特（英语：）、利昂娜·伍兹的见证下，费米向B反应堆中插入第一根燃料棒，就此启动核反应堆。在接下来的几天中核反应堆陆续填入838根燃料棒，达到临界值。9月27日午夜钟声敲响后不久，操作员开始从反应堆中抽出控制棒，让反应堆进入生产模式。一开始一切运转良好，但在凌晨03:00左右输出功率开始下降，06:30时核反应堆完全罢工。工作人员检查冷凝水，确保没有泄漏或污染事故发生。翌日反应堆再度启动，孰料反应堆再度停摆。
费米将情况告诉了吴健雄，她指出问题应该出自中子毒物，由半衰期9.2小时的氙-135造成。费米、伍兹、唐纳德·J·休斯（英语：）和約翰·惠勒经过一通计算，发现氙-135的核截面（英语：）是铀的3万倍。杜邦工程师乔治·格雷夫斯（）对冶金实验室的原设计做了一些修改——原设计将1,500根管道排列成一个圆，格雷夫斯又额外向其中加了504根管道来填满剩余的边边角角。科学家们最开始认为这一设计过度工程化，费时又费钱，但费米留意到这全部2,004根管能够让反应堆达到生产钚所需要的功率级别。1944年12月17日，D反应堆启动；1945年2月25日，F反应堆启动。
钚 > 分离元素

与此同时，化学家们在不了解钚的化学性质的情况下已开始思忖如何将其从铀中分离出来。1942年，查尔斯·M·库珀（）带领的团队在冶金实验室用极少量的钚研发出氟化镧处理法（英语：）用来分离那两种元素，该法后来被用到了先导分离工厂中进行试验。随后，西博格和斯坦利·G·汤姆森（）发明了另一种分离法磷酸铋处理法，可利用磷酸铋溶液将钚的氧化数在+4和+6之间切换。氧化数+4时，钚会沉淀；氧化数+6时，钚溶于溶液，而其他物质会沉淀。格林沃尔特因氟化镧有腐蚀性而更喜欢磷酸铋处理法，该法获选为汉福德化工厂使用的元素分离法。X-10开始产钚后，先导工厂旋即进入试验阶段。第一批次的生产效率只有40%，但后几个月效率逐步升高至90%。
在汉福德，曼哈顿计划最首要的任务是修筑300区的设施。该区有存放测试材料的仓库、制备铀的工厂和组装校准仪器的工间。有一幢楼用来存放铀燃料棒的包壳设备，另外有一幢修有一座小型核反应堆。尽管300区享有高优先级，但该区设施独特复杂，再加上战时人手紧缺、物资不足，导致工期被延误。
汉福德原定在名为“200西区”和“200东区”的两块区域中各建两座分离工厂，后改为在200西区修建“T厂”和“U厂”，在200东区只建一座“B厂”。每座分离工厂都由四幢建筑构成：处理装置楼（编号221，也被称为“峡谷（canyon）”）、浓缩楼（编号224）、净化楼（编号231）和军火库（编号213）。“峡谷”长800英尺（240），宽65英尺（20），有40个17.7×13×20英尺（5.4×4.0×6.1）的处理器。
1944年1月，221-T厂和221-U厂动土，并先后在9月、12月竣工。221-B厂也在1945年3月完工。这些厂房由于辐射过强，工人必须要通过1943年时还闻所未闻的闭路电视遥控操作一切生产活动，维护修缮工作也是通过桁架吊车和特制工具进行。各厂224楼因需要处理的原料相对较少所以体积也更小，辐射也更弱。224-T楼和224-U楼在1944年10月8日完工，224-B楼则是在1945年2月10日完工。1944年4月8日231-W开始施工时，科学家们还没有敲定净化处理方法，不过年末时工厂竣工，净化处理的方法也选定下来。1945年2月5日，马赛厄斯在洛杉矶亲手将首批80克纯度95%的硝酸钚递交给洛斯阿拉莫斯的物流人员。