Dự án Manhattan

Dự án Manhattan (tiếng Anh: "Manhattan Project") là một dự án nghiên cứu và phát triển bom nguyên tử đầu tiên trong Thế chiến II, chủ yếu do Hoa Kỳ thực hiện với sự giúp đỡ của Anh và Canada. Từ năm 1942 đến năm 1946, một lực lượng thuộc Công binh Lục quân Hoa Kỳ dưới quyền Thiếu tướng Leslie Groves tham gia vào dự án được tổ chức thành Khu vực Manhattan; tên "Manhattan" dần trở thành mật danh chính thức thay cho Phát triển Vật liệu Thay thế để chỉ toàn bộ dự án. Dự án cũng từng bước thu nhận một dự án nhỏ hơn, sớm hơn của người Anh mang tên Tube Alloys. Dự án Manhattan khởi đầu khá khiêm tốn vào năm 1939, nhưng lớn lên tới mức sử dụng nhân lực hơn 130 nghìn người và tiêu tốn gần 2 tỉ USD (tương đương USD năm ). Trên 90% chi phí là nhằm để xây dựng các nhà máy và sản xuất vật liệu phân hạch, chỉ có gần 10% là dành cho phát triển và chế tạo vũ khí. Việc nghiên cứu và chế tạo diễn ra tại hơn 30 vị trí trên khắp Hoa Kỳ, Anh và Canada.
Hai loại vũ khí nguyên tử được phát triển trong thời chiến. Một loại vũ khí phân hạch kiểu súng tương đối đơn giản được chế tạo sử dụng urani-235, một đồng vị chiếm khoảng 0,7% urani tự nhiên. Vì nó giống hệt về mặt hóa học và có khối lượng xấp xỉ bằng đồng vị phổ biến urani-238, rất khó để có thể phân tách chúng. Người ta đã sử dụng ba phương pháp sử dụng để làm giàu urani: khuếch tán điện từ, khuếch tán khí và khuếch tán nhiệt. Hầu hết công trình này được tiến hành ở Oak Ridge, Tennessee. Song song với nghiên cứu sản xuất urani là một nỗ lực chế tạo plutoni tiến hành tại Oak Ridge và Handford, Washington. Trong các lò phản ứng, urani hấp thu bức xạ và biến đổi thành plutoni. Plutoni sau đó được phân tách hóa học khỏi urani. Thiết kế kiểu súng tỏ ra không thực tiễn để sử dụng với plutoni nên một vũ khí nổ sập được phát triển trong một nỗ lực thiết kế và xây dựng phối hợp chặt chẽ tại phòng thí nghiệm nghiên cứu và thiết kế chính của dự án ở Los Alamos, Mexico.
Dự án cũng liên quan tới việc thu thập tin tình báo về Dự án năng lượng hạt nhân Đức. Thông qua Chiến dịch Alsos, các thành viên của dự án Manhattan hoạt động ở châu Âu, đôi khi trong lãnh thổ kẻ thù, để thu thập các vật liệu và tài liệu hạt nhân và chiêu mộ các nhà khoa học Đức. Dù được tiến hành dưới vỏ bọc an ninh chắc chắn, nhưng các điệp viên nguyên tử Liên Xô vẫn thâm nhập thành công vào chương trình.
Thiết bị hạt nhân đầu tiên được kích hoạt là một quả bom nổ sập trong Vụ thử Trinity, thực hiện ở Bãi thử vũ khí Alamogordo ở New Mexico ngày 16 tháng 7 năm 1945. Little Boy, một vũ khí dạng súng, và Fat Man dạng nổ sập lần lượt được sử dụng trong các vụ ném bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki. Trong những năm đầu hậu chiến, Dự án Manhattan tiến hành các vụ thử vũ khí ở Đảo san hô vòng Bikini như một phần của Chiến dịch Crossroads, phát triển các vũ khí mới, khuyến khích sự hình thành mạng lưới các phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ, hỗ trợ các nghiên cứu y tế trong khoa chiếu xạ và thành lập hải quân hạt nhân. Dự án duy trì sự kiểm soát đối với việc nghiên cứu và chế tạo vũ khí hạt nhân cho tới khi Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hoa Kỳ được thành lập tháng 1 năm 1947.
Nguồn gốc.
Tháng 8 năm 1939, các nhà vật lý nổi tiếng Leó Szilárd và Eugene Wigner soạn Bức thư Einstein–Szilárd nhằm cảnh báo về tiềm năng phát triển "những quả bom cực mạnh kiểu mới". Thư kêu gọi Hoa Kỳ tiến hành từng bước thu thập các nguồn dự trữ quặng urani và hỗ trợ nghiên cứu của Enrico Fermi và những người khác trong lĩnh vực phản ứng hạt nhân dây chuyền. Họ lấy chữ ký của Albert Einstein và gửi tới Tổng thống Franklin D. Roosevelt. Roosevelt triệu tập Lyman Briggs của Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ làm lãnh đạo Ủy ban Tư vấn về Urani để xem xét các vấn đề nêu lên trong bức thư. Briggs tổ chức một cuộc họp vào ngày 21 tháng 10 năm 1939, với sự có mặt của Szilárd, Wigner và Edward Teller. Ủy ban báo cáo lại với Roosevelt vào tháng 11 rằng urani "cung cấp nguồn năng lượng có thể chế tạo những trái bom với sức tàn phá lớn hơn rất nhiều bất cứ thứ gì từng biết đến."
Briggs đề xuất rằng Ủy ban Nghiên cứu Quốc phòng Quốc gia (NDRC) chi 167 nghìn đô la vào nghiên cứu urani, đặc biệt là đồng vị urani-235, cũng như vào plutoni mới được phát hiện trước đó. Vào ngày 28 tháng 6 năm 1941, Roosevelt ký Sắc lệnh 8807, lập nên Văn phòng Nghiên cứu Khoa học và Phát triển (OSRD), với Vannevar Bush làm giám đốc. Văn phòng được trao quyền tham gia vào các dự án kỹ thuật lớn bên cạnh việc nghiên cứu. NDRC trở thành Ủy ban S-1 Urani trực thuộc OSRD; từ "urani" sớm bị loại bỏ (chỉ còn là Ủy ban S-1) vì các lý do an ninh.
Ở Anh, Otto Frisch và Rudolf Peierls tại Đại học Birmingham có một bước đột phá khi nghiên cứu khối lượng tới hạn của urani-235 vào tháng 6 năm 1939. Tính toán của họ chỉ ra rằng khối lượng này nằm trong một bậc độ lớn cỡ 10 kg, đủ nhỏ để chứa trong một máy bay ném bom đương thời. Giác thư Frisch–Peierls tháng 3 năm 1940 của họ khởi đầu cho dự án bom nguyên tử của Anh với việc thành lập Ủy ban Maud, cơ quan đã nhất trí khuyến nghị việc theo đuổi phát triển một quả bom nguyên tử. Một trong các thành viên của nó, nhà vật lý Úc Mark Oliphant, bay tới Hoa Kỳ cuối tháng 8 năm 1941 và nhận thấy dữ liệu Ủy ban Maud cung cấp không đến tay các nhà vật lý Hoa Kỳ chủ chốt. Oliphant quyết định tìm ra tại sao những phát hiện của ủy ban dường như bị phớt lờ. Ông gặp Ủy ban Urani, rồi tới thăm Berkeley, California, nơi ông thuyết phục thành công Ernest Lawrence. Bị ấn tượng, Lawrence bắt tay vào nghiên cứu urani, và nói chuyện với James B. Conant, Arthur Compton và George Pegram.
Tại một cuộc họp giữa Tổng thống Roosevelt, Vannevar Bush, và phó Tổng thống Henry A. Wallace ngày 9 tháng 10 năm 1941, Tổng thống phê chuẩn chương trình nguyên tử. Để kiểm soát nó, ông tạo nên Nhóm Chính sách Cao cấp bao gồm chính ông-mặc dù ông không bao giờ tham dự một buổi họp nào-Wallace, Bush, Conant, Bộ trưởng Chiến tranh Henry L. Stimson, và Tham mưu trưởng Lục quân Mỹ, Đại tướng George Marshall. Roosevelt chọn Lục quân để tiến hành dự án thay vì Hải quân, bởi vì Lục quân có nhiều kinh nghiệm nhất trong việc quản lý các dự án xây dựng đại quy mô. Ông cũng đồng ý phối hợp các nỗ lực của người Anh và vào ngày 11 tháng 10 ông gửi một tin nhắn tới Thủ tướng Winston Churchill, đề xuất rằng họ cần liên lạc về vấn đề nguyên tử.
Tính khả thi.
Đề xuất thực hiện.
Ủy ban S-1 tổ chức cuộc họp đầu tiên vào ngày 18 tháng 12 năm 1941 "tràn ngập bầu không khí nhiệt tình và khẩn cấp" dưới tác động của Trận Trân Châu Cảng, theo sau đó là Hoa Kỳ tuyên chiến với Nhật Bản và với Đức Quốc xã. Công trình được tiến hành theo ba kĩ thuật khác nhau nhằm phân tách đồng vị urani-235 từ urani-238. Lawrence và nhóm của ông tại Đại học California tại Berkeley nghiên cứu phân tách điện từ, trong khi nhóm của Eger Murphree và Jesse Wakefield Beams xem xét khuếch tán khí tại Đại học Columbia, và Philip Abelson chỉ đạo nghiên cứu khuếch tán nhiệt ở Viện Carnegie ở Washington và sau đó là ở Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân. Murphree cũng từng đứng đầu một dự án phân tách bất thành từ ly tâm pha hơi.
Trong khi đó, có hai dòng nghiên cứu hướng vào công nghệ lò phản ứng hạt nhân, với Harold Urey tiếp tục nghiên cứu về nước nặng ở Columbia, trong khi Arthur Compton đem nhóm khoa học gia ở Đại học Columbia và Đại học Princeton tới nghiên cứu tại Đại học Chicago nơi ông tổ chức nên Phòng thí nghiệm Luyện kim vào đầu năm 1942 để nghiên cứu plutoni và các lò phản ứng sử dụng than chì làm chất điều hòa neutron. Briggs, Compton, Lawrence, Murphree, và Urey họp vào ngày 23 tháng 5 năm 1942 để hoàn tất các khuyến nghị của Ủy ban S-1, kêu gọi nỗ lực cho năm công nghệ chính cần theo đuổi. Khuyến nghị này được Bush, Conant, và Chuẩn tướng Wilhelm D. Styer, Tham mưu trưởng Cục Quân nhu dưới quyền Thiếu tướng Brehon B. Somervell, người được chỉ định là đại diện của Lục quân trong các vấn đề hạt nhân, tán thành. Bush và Conant sau đó đem khuyến nghị tới Nhóm Chính sách Cao cấp với một dự án ngân sách chi 54 triệu đô la cho việc xây dựng tới Đoàn Công binh Lục quân Hoa Kỳ, 31 triệu đô la cho nghiên cứu và phát chiến tới OSRD và 5 triệu đô la quỹ dự phòng cho năm tài khóa 1943. Nhóm Chính sách Cao cấp duyệt gửi cho Tổng thống ngày 17 tháng 6 năm 1942 và ông đã phê chuẩn với dòng chữ duyệt "OK FDR" trên văn bản.
Quan niệm thiết kế bom.
Compton yêu cầu nhà vật lý lý thuyết J. Robert Oppenheimer của Đại học California tại Berkeley, phụ trách việc nghiên cứu tính toán neutron nhanh—chìa khóa để tính toán khối lượng tới hạn và kích hoạt vũ khí—từ Gregory Breit, người đã rút khỏi dự án ngày 18 tháng 5 năm 1942 do những lo ngại về an ninh điều hành lỏng lẻo. John H. Manley, một nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Luyện kim, được chỉ định để trợ giúp Oppenheimer trong việc liên lạc và điều phối các nhóm vật lý thực nghiệm rải rác khắp đất nước. Oppenheimer và Robert Serber của Đại học Illinois thẩm xét các vấn đề khuếch tán neutron—neutron di chuyển như thế nào trong một phản ứng hạt nhân dây chuyền—và thủy động lực học—vụ nổ sinh ra từ một phản ứng dây chuyền sẽ diễn ra ra sao. Để xem xét công trình này và lý thuyết tổng quát về các phản ứng phân hạch, Oppenheimer triệu tập các cuộc họp ở Đại học Chicago vào tháng 6 và Đại học California tại Berkeley vào tháng 7 năm 1942 với các nhà vật lý lý thuyết Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Emil Konopinski, Robert Serber, Stan Frankel, và Eldred C. Nelson, ba người sau từng là học trò cũ của Oppenheimer, và các nhà vật lý thực nghiệm Felix Bloch, Emilio Segrè, John Manley, và Edwin McMillan. Họ xác nhận một cách không dứt khoát rằng một quả bom phân hạch là khả dĩ về mặt lý thuyết.
Nhưng nhiều yếu tố vẫn còn là ẩn số. Tính chất của urani-235 tinh khiết tương đối chưa rõ ràng, và của plutoni cũng vậy, nguyên tố này mới chỉ được Glenn Seaborg và nhóm của ông này khám phá ra vào tháng 2 năm 1941. Các nhà khoa học ở hội nghị Berkeley đã hình dung ra việc tạo nên plutoni trong các lò phản ứng hạt nhân với nguyên tử urani-238 hấp thu neutron phát ra từ nguyên tử urani-235 phân hạch. Vào thời điểm đó chưa có lò phản ứng nào được xây, và chỉ một lượng rất nhỏ plutoni thu được từ các máy cyclotron. Ngay cả đến tháng 12 năm 1943, tổng khối lượng plutoni thu được chỉ là 2 miligram. Có nhiều cách khác nhau để sắp xếp vật liệu phân hạch đạt tới khối lượng tới hạn. Đơn giản nhất là bắn một cái "chốt hình trụ" vào một quả cầu "vật liệu phóng xạ" với một "cái đầm"—một vật liệu đặc hội tụ neutron vào phía trong và giữ cho khối lượng phản ứng với nhau để tăng hiệu năng. Họ cũng khám phá những thiết kế gồm các khối gần cầu, một dạng "nổ sập" sơ khai do Richard C. Tolman đề xuất, và khả năng của các phương pháp tự xúc tác, làm tăng hiệu năng quả bom lúc phát nổ.
Cho rằng ý tưởng bom phân hạch được xác lập về lý thuyết-ít nhất cho tới khi thêm các dữ liệu thực nghiệm xuất hiện—hội nghị Berkeley bắt đầu chuyển sang một định hướng mới. Edward Teller thúc đẩy thảo luận về một quả bom mạnh hơn: một "siêu bom", mà ngày nay thường gọi là "bom nhiệt hạch", sẽ sử dụng sức nổ của quả bom phân hạch được kích hoạt để châm ngòi cho phản ứng nhiệt hạch trong deuterium và tritium. Teller đề xuất hết đề án này tới đề án khác, nhưng đều bị Bethe lần lượt bác bỏ. Ý tưởng nhiệt hạch bị đặt ra ngoài lề để tập trung vào sản xuất bom phân hạch. Teller cũng đưa ra khả năng phỏng đoán rằng một quả bom nguyên tử có thể "kích hoạt" toàn bộ khí quyển Trái Đất bởi một phản ứng phân hạch giả định của hạt nhân nitơ. Bethe tính toán cho thấy điều đó không thể nào xảy ra và một báo cáo mà Teller đồng tác giả cho thấy rằng "không có chuỗi phản ứng hạt nhân tự lan truyền nào có vẻ sẽ khởi động." Trong ghi chép của Serber, Oppenheimer đề cập nó với Arthur Compton, người "không có đủ óc khôn ngoan để dập tắt nó. Không biết bằng cách nào nó đi vào một văn bản gửi tới Washington" và "không bao giờ thực sự chấm dứt".
Tổ chức.
Khu vực Manhattan.
Tháng 6 năm 1939, Tư lệnh Công binh Hoa Kỳ, Thiếu tướng Eugene Reybold, lựa chọn Đại tá James C. Marshall làm người đứng đầu bộ phận thuộc Lục quân tham gia vào dự án. Marshall tạo ra một văn phòng liên lạc ở Washington, D.C., nhưng thiết lập bản doanh tạm thời ở tầng 17 tòa nhà 270 Broadway, New York, nơi ông có thể nhận được sự giúp đỡ điều hành từ Sư đoàn Bắc Đại Tây Dương thuộc Công binh. Nó nằm gần văn phòng tại Manhattan của Stone &amp; Webster, nhà thầu chính của dự án, và Đại học Columbia. Ông được chuẩn thuận lấy nhân lực từ đơn vị cũ của mình, Khu vực Syracuse, bắt đầu từ Trung tá Kenneth Nichols, người trở thành phó của ông..
Vì hầu hết nhiệm vụ của ông liên quan tới xây dựng, Marshall cộng tác với chỉ huy Sư đoàn Xây dựng của Công binh, Thiếu tướng Thomas M. Robbins, và phó của ông này là Đại tá Leslie Groves. Reybold, Somervell và Styer quyết định gọi dự án là "Phát triển Vật liệu Thay thế", nhưng Groves cảm thấy tên này có thể gây chú ý. Vì các khu vực công trình thường mang tên của thành phố nơi chúng đặt, Marshall và Groves đồng ý đặt tên bộ phận của Lục quân tham gia vào dự án là "Khu vực Manhattan". Tên này trở thành chính thức ngày 13 tháng 8, khi Reybold ban hành quyết định thành lập nên khu vực mới. Một cách không chính thức, nó được biết dưới tên Khu vực Công trình Manhattan, (tiếng Anh: Manhattan Engineer District, viết tắt MED). Không như các khu vực khác, nó không có ranh giới địa lý nào, và Marshall nắm thẩm quyền tương đương chỉ huy sư đoàn công binh. Phát triển Vật liệu Thay Thế vẫn là mật danh của dự án trên quy mô toàn thể, nhưng nó dần dần bị lu mờ bởi tên gọi "Manhattan".
Marshall sau này thừa nhận rằng, "Khi đó tôi chưa từng nghe nói về phân hạch nguyên tử nhưng tôi có biết rằng bạn không thể xây một nhà máy, đừng nói tới bốn nhà máy với chỉ 90 triệu đô la". Chỉ một nhà máy thuốc nổ TNT mà Nichols mới xây trước đó ở Pennsylvania thôi đã tốn 128 triệu đô la. Họ cũng không ấn tượng với những ước tính về quy mô quá mơ hồ, mà Groves so sánh với việc bảo một chủ khách sạn sửa soạn bữa ăn cho từ mười tới một nghìn thực khách. Một nhóm khảo sát từ Stone &amp; Webster đã thăm dò một vị trí cho các nhà máy sản xuất. Hội đồng Sản xuất Thời chiến khuyến nghị các địa điểm nằm gần Knoxville, Tennessee, một khu vực cô lập nơi tập đoàn TVA có thể phân phối đủ điện năng và dòng sông có thể cung cấp nước làm mát cho các lò phản ứng. Sau khi khảo sát vài địa điểm, nhóm điều tra đã chọn một nơi gần Elza, Tennessee. Conant đề xuất rằng cần trưng mua nơi này ngay lập tức và Styer đồng ý nhưng Marshall trì hoãn để đợi kết quả từ các thí nghiệm lò phản ứng của Conant trước khi hành động. Trong số các quá trình có triển vọng, chỉ có phân tách điện từ của Lawrence tỏ ra đủ ưu việt để tiến hành xây dựng.
Marshall và Nichols bắt đầu tập hợp nguồn lực họ cần. Bước đầu tiên là tìm cách để dự án được ưu tiên cao. Các dự án được xếp hạng theo thứ tự AA-1 tới AA-4 theo thứ tự tầm quan trọng giảm dần, nhưng cũng có hạng AAA đặc biệt dành cho những trường hợp khẩn cấp. Hạng AA-1 và AA-2 dành cho những vũ khí và trang bị thiết yếu, nên Đại tá Lucius D. Clay, tham mưu phó tại cơ quan Dịch vụ và Cung ứng, cảm thấy rằng cao nhất chỉ có thể gắn cho dự án Manhattan hạng AA-3, mặc dù ông này bằng lòng gắn AAA cho các yêu cầu về vật liệu thiết yếu nếu nhu cầu nảy sinh. Nichols và Marshall cảm thấy thất vọng vì AA-3 chỉ cùng mức ưu tiên với nhà máy TNT của Nichols ở Pennsylvania.
Ủy ban Chính sách Quân sự.
Bush cảm thấy không hài lòng với thất bại của Đại tá Marshall trong việc triển khai dự án khẩn trương hơn, đặc biệt là chậm trễ trong việc trưng mua địa điểm ở Tennessee, dự án bị đặt ưu tiên thấp, và địa điểm sở chỉ huy lại nằm ở New York. Bush cho rằng cần có bộ máy lãnh đạo xông xáo hơn, và nói với Harvey Bundy-Trợ tá đặc biệt của Bộ trưởng Chiến tranh-và các tướng Marshall, Somervell, và Styer về các mối lo ngại này. Ông muốn dự án đặt dưới một ủy ban chính sách cao cấp, do một sĩ quan có uy tín, nên là Styer, làm tổng chỉ đạo. Somervell và Styer tiếp thu ý kiến nhưng chọn Groves cho vị trí trên.
Groves nhận được mệnh lệnh nhậm chức ngày 17 tháng 9, đồng thời Đại tướng Marshall thăng ông lên hàm Chuẩn tướng, cho rằng danh hiệu "tướng" có vẻ gây nhiều ấn tượng về quyền lực hơn với các nhà khoa học hàn lâm làm việc trong Dự án Manhattan. Groves theo đó trực tiếp dưới quyền Somervell thay vì Reybold, trong khi Đại tá Marshall chịu trách nhiệm báo cáo với Groves. Groves lập bản doanh ở Washington, D.C., ở tầng 5 của Trụ sở mới của Bộ Chiến tranh, nơi Đại tá Marshall từng đặt văn phòng liên lạc. Ông đảm nhận quyền chỉ huy dự án vào ngày 23 tháng 9. Vào ngày đó, Groves cũng tham dự cuộc họp do Stimson triệu tập để lập nên Ủy ban Chính sách Quân sự, chịu trách nhiệm báo cáo với Nhóm Chính sách Cao cấp của Tổng thống, bao gồm Bush (mà tiến sĩ Conant làm người dự khuyết), Styer và Chuẩn Đô đốc William R. Purnell. Tolman và Conant về sau được bổ nhiệm là các cố vấn khoa học của Groves.
Ngày 19 tháng 9, Groves đi tới chỗ Donald M. Nelson, chủ tịch Hội đồng Sản xuất Thời chiến, để xin cấp thẩm quyền rộng rãi gắn hạng AAA bất cứ khi nào dự án cần đến. Nelson ban đầu không chịu nhưng nhanh chóng chấp nhận khi Groves đe dọa sẽ đưa chuyện này tới Tổng thống. Groves hứa sẽ không sử dụng tới hạng AAA trừ khi nó cần thiết. Người ta sớm nhận ra đối với các nhu cầu thường ngày của dự án thì AAA là quá cao nhưng AA-3 quá thấp. Sau một thời gian dài vận động, Groves cuối cùng nhận được ưu tiên AA-1 ngày 1 tháng 7 năm 1944.
Một trong các vấn đề ban đầu của Groves là tìm giám đốc cho Dự án Y, nhóm phụ trách thiết kế và xây dựng bom. Lựa chọn dễ thấy nhất là một trong số ba lãnh đạo các phòng thí nghiệm, Urey, Lawrence hoặc Compton, nhưng vị trí của họ rất quan trọng không thay thế được. Compton đề xuất nên chọn Oppenheimer, người quen thuộc từ lâu với các khái niệm về thiết kế bom. Tuy nhiên Oppenheimer ít có kinh nghiệm quản lý, hơn nữa, không như ba người trên, ông không nhận được giải Nobel nào, danh hiệu mà nhiều nhà khoa học có thể cảm thấy là người đứng đầu một đại dự án quan trọng như này nên có. Cũng có những lo ngại về hồ sơ an ninh của Oppenheimer, vì nhiều người gần gũi với ông là cộng sản, bao gồm em trai ông là nhà vật lý Frank Oppenheimer; vợ ông, Kitty; và bạn gái ông Jean Tatlock. Một cuộc tranh luận dài trên tàu hỏa vào tháng 10 năm 1942 đã thuyết phục Groves và Nichols rằng Oppenheimer hiểu thấu suốt các vấn đề liên quan tới việc thiết lập một phòng thí nghiệm ở khu vực xa xôi và nên được bổ nhiệm làm giám đốc của nó. Chính Groves bỏ qua các yêu cầu về an ninh và cấp cho Oppenheimer quyền miễn trừ an ninh ngày 20 tháng 7 năm 1943.
Hợp tác với nước Anh.
Người Anh và người Mỹ đã trao đổi thông tin về hạt nhân với nhau nhưng ban đầu không hợp lực làm việc. Nước Anh cự tuyệt các nỗ lực của Bush và Conant năm 1941 nhằm tăng cường hợp tác với dự án của riêng họ, mật danh là Tube Alloys, vì Anh không muốn chia sẻ các ưu thế công nghệ của mình và giúp Hoa Kỳ phát triển bom nguyên tử riêng. Một nhà khoa học Hoa Kỳ mang một lá thư riêng từ Roosevelt tới Churchill đề xuất chi trả cho toàn bộ nghiên cứu và phát triển cho một dự án Anh-Mỹ bị đối xử lạnh nhạt, và Churchill còn không buồn hồi đáp lá thư. Hoa Kỳ do đó từ tháng 4 năm 1942 quyết định rằng đề xuất bị bác bỏ và nên tiến hành một mình. Nước Anh không có nhân lực hay tài nguyên của Hoa Kỳ và mặc dù khởi đầu sớm hơn và nhiều triển vọng, Tube Alloys sớm tụt lại phía sau dự án của Hoa Kỳ. Ngày 30 tháng 7 năm 1942, Tử tước Waverley, bộ trưởng phụ trách Tube Alloys, khuyên Churhill rằng: "Chúng ta phải đối mặt với sự thật rằng... công trình tiên phong [của chúng ta]... là một tài sản đang mất giá và rằng, trừ khi chúng ta vốn hóa nó nhanh chóng, chúng ta sẽ bị bỏ xa phía sau. Hiện giờ chúng ta có một phần đóng góp thực sự để tạo nên một sự 'sáp nhập', nhưng chẳng mấy nữa chúng ta chỉ còn chút ít hoặc không gì cả." Cuối cùng, trong tháng đó Churchill và Roosevelt tạo một thỏa thuận bằng miệng không chính thức về sự hợp tác trong lĩnh vực nguyên tử.
Tuy nhiên cơ hội để làm một đối tác ngang hàng không còn tồn tại, và được thể hiện vào tháng 8 năm 1942 khi người Anh đòi hỏi quyền kiểm soát chắc chắn đối với dự án mà không trả một phần chi phí nào. Tới năm 1943 vai trò giữa hai quốc gia hoán đảo so với cuối năm 1941; tháng 1 năm đó Contant thông báo với người Anh rằng họ sẽ không còn nhận được thông tin về nguyên tử trừ trong một số lĩnh vực. Trong khi người Anh bị sốc bởi sự thủ tiêu thỏa thuận Churchill-Roosevelt, người đứng đầu Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia của Canada, C. J. Mackenzie cảm thấy ít ngạc nhiên, viết rằng "tôi không biết nói sao trừ việc cảm thấy rằng nhóm nước Anh [quá] nhấn mạnh tầm quan trọng của đóng góp của họ so với người Mỹ." Như Conant và Bush nói với người Anh, mệnh lệnh chấm dứt thông tin "đến từ cấp cao nhất". Vị trí để mặc cả của người Anh càng ngày càng yếu; các nhà khoa học Hoa Kỳ quyết định rằng Hoa Kỳ không còn cần sự giúp đỡ bên ngoài, và rằng họ và những người khác trong ủy ban chính sách về bom muốn ngăn cản người Anh xây dựng một quả bom nguyên tử thời hậu chiến. Ủy ban ủng hộ, và Roosevelt tán thành điều đó, hạn chế luồng thông tin mà người Anh có thể dùng trong chiến tranh-đặc biệt là không liên quan tới thiết kế bom-ngay cả nếu làm như vậy sẽ làm chậm dự án của Hoa Kỳ lại đôi chút. Đầu năm 1943 người Anh ngừng gửi kết quả nghiên cứu và nhà khoa học tới Hoa Kỳ, để đáp trả người Mỹ ngừng mọi chia sẻ thông tin. Người Anh quyết định chấm dứt nguồn cung cấp urani và nước nặng từ Canada để buộc người Mỹ nối lại việc chia sẻ, nhưng Canada lại cần nguồn cung cấp từ Hoa Kỳ để sản xuất các vật liệu đó. Họ cũng xem xét tính khả thi của một dự án năng lượng độc lập, nhưng cuối cùng nhận định rằng nó không thể nào sẵn sàng kịp để ảnh hưởng tới kết quả của chiến trường châu Âu.
Đến tháng 3 năm 1943 Conant cho rằng sự giúp đỡ của người Anh có thể có lợi cho một số lĩnh vực của dự án. Vai trò của James Chadwick (người tìm ra neutron) và một vài nhà khoa học Anh khác là đủ quan trọng để nhóm thiết kế bom ở Los Alamos cần tới họ, bất chấp rủi ro về việc tiết lộ bí mật thiết kế vũ khí. Tháng 8 năm 1943 Churchill và Roosevelt đàm phán Thỏa thuận Quebec, dẫn đến sự tiếp tục cộng tác giữa các nhà khoa học trong cùng lĩnh vực, tuy nhiên người Anh đồng ý về giới hạn trong dữ liệu về việc xây dựng những nhà máy sản xuất quy mô lớn cần để chế tạo bom. Thỏa thuận Hyde Park sau đó vào tháng 9 năm 1944 mở rộng sự hợp tác sang thời hậu chiến. Thỏa thuận Quebec thiết lập nên Ủy ban Chính sách Hỗn hợp để điều phối các nỗ lực của Hoa Kỳ, Vương quốc Anh và Canada. Ủy ban bao gồm Stimson, Bush và Conant đại diện cho Hoa Kỳ, Nguyên soái Huân tước John Dill và Đại tá Bá tước J. J. Llwellin đại diện cho Anh, và C. D. Howe đại diện cho Canada. Llewellin trở về Anh cuối năm 1943 và được thay thế bởi Đại sứ Anh ở Hoa Kỳ, Bá tước Halifax vào đầu năm 1945. Huân tước John Dill mất ở Washington do bệnh thiếu máu tháng 11 năm 1944 và được thay thế bởi Nguyên soái Huân tước Henry Maitland Wilson.
Khi tiếp tục hợp tác sau thỏa thuận Quebec, tiến bộ cũng như phí tổn của người Mỹ khiến Anh phải sửng sốt. Hoa Kỳ đã tiêu tốn hơn 1 tỷ đô la (tương đương USD năm ), trong khi trong năm 1943, Anh quốc chỉ tiêu khoảng nửa triệu bảng Anh. Chadwick do đó gây áp lực rằng nước Anh phải tham dự Dự án Manhattan ở mức độ đầy đủ nhất và từ bỏ bất kỳ hy vọng về một dự án độc lập nào trong thời chiến. Được Churchill ủng hộ, ông cố gắng đảm bảo rằng mọi yêu cầu trợ giúp từ Groves được đáp ứng đúng hẹn. Phái đoàn Anh tới Hoa Kỳ vào tháng 12 năm 1943 bao gồm Niels Bohr, Otto Frisch, Klaus Fuchs, Rudolf Peierls, và Ernest Titterton. Một số nhà khoa học khác đến nơi vào đầu năm 1944. Trong khi những người chỉ định làm khuếch tán khí rời Hoa Kỳ vào mùa thu năm 1944, 35 người làm việc với Lawrence ở Berkeley được chỉ định vào các nhóm phòng thí nghiệm sẵn có và ở lại cho đến cuối cuộc chiến. 19 người được gửi tới Los Alamos cũng tham gia vào các nhóm ở đó, chủ yếu liên quan tới nổ sập và lắp ráp bom, nhưng không liên quan tới mảng plutoni. Một phần của Thỏa thuận Quebec quy định rằng vũ khí hạt nhân sẽ không được sử dụng chống lại một quốc gia khác mà không có sự tán thành của các bên. Tháng 6 năm 1945, Wilson đồng ý rằng việc sử dụng vũ khí hạt nhân sẽ được xem là một quyết định của Ủy ban Chính sách Hỗn hợp.
Ủy ban Chính sách Hỗn hợp tạo nên Quỹ đầu tư Phát triển Hỗn hợp vào tháng 6 băn 1944, do Groves làm chủ tịch, để thu mua urani và thorium trên thị trường quốc tế. Congo thuộc Bỉ và Canada nắm giữ phần lớn urani của thế giới nằm ngoài Đông Âu, và chính phủ lưu vong Bỉ lại đóng ở Luân Đôn. Nước Anh đồng ý cho Hoa Kỳ phần lớn mỏ quặng của Bỉ bởi không thể tận dụng được tài nguyên nếu nghiên cứu của Hoa Kỳ bị hạn chế. Trong năm 1944, Quỹ mua khoảng quặng urani oxit từ các công ty vận hành các mỏ ở Congo thuộc Bỉ. Để tránh phải tường thuật chi tiết dự án cho Bộ trưởng Ngân khố Henry Morgenthau, một tài khoản đặc biệt không chịu quản lý và kiểm tra sổ sách thông thường được tạo ra để giữ tiền bạc của Quỹ. Giữa năm 1944 đến lúc nghỉ chức tại Quỹ năm 1947, Groves đã gửi tổng cộng 37 triệu đô la vào tài khoản của Quỹ.
Groves ghi nhận nghiên cứu nguyên tử ban đầu của người Anh và các đóng góp của nhà khoa học Anh đối với dự án Manhattan, nhưng từng khẳng định rằng Hoa Kỳ vẫn sẽ thành công mà không có họ. Tuy nhiên, dù điều đó có đúng hay không, sự tham gia dự án trong thời chiến đóng vai trò thiết yếu cho thành công của chương trình vũ khí hạt nhân độc lập của Anh quốc thời hậu chiến sau khi Đạo luật McMahon năm 1946 chấm dứt tạm thời hợp tác hạt nhân với người Mỹ.
Địa điểm dự án.
Oak Ridge.
Một ngày sau khi nhậm chức, Groves bắt chuyến tàu tới Tennessee với Đại tá Marshall để thăm dò vị trí được đề xuất, và Groves cảm thấy ấn tượng với lựa chọn này. Ngày 24 tháng 9 năm 1942, Thứ trưởng Bộ Chiến tranh Robert P. Patterson ủy quyền cho Công binh Lục quân trưng mua đất với giá 3,5 triệu đô la. Về sau quân đội còn trưng mua thêm . Khoảng 1 nghìn gia đình chịu ảnh hưởng của lệnh trưng mua có hiệu lực kể từ ngày 7 tháng 10. Các cuộc biểu tình, chống án, và cả một cuộc điều tra của quốc hội không làm thay đổi được quyết định. Tới giữa tháng 11 Cục Cảnh sát Hoa Kỳ triển khai gắn thông báo di dời lên cửa các nông trang, và các nhà thầu xây dựng di chuyển vào khu vực. Một vài gia đình được thông báo có hai tuần để di chuyển các trang trại thuộc về họ nhiều thế hệ; những người khác định cư ở đây sau khi từng bị đuổi khỏi nơi cư trú để giải phóng diện tích cho Vườn quốc gia Dãy núi Great Smoky những năm 1920 hoặc Đập Norris những năm 1930 Việc trưng mua đất kéo dài tới tận tháng 3 năm 1945, với tổng phí tổn 2,6 triệu đô la, tính ra là 47 đô la trên một acre đất. Khi nhận được Tuyên cáo Số 2 khẳng định Oak Ridge là một vùng cấm xâm phạm hoàn toàn, không ai có thể đi vào mà không có chuẩn thuận từ quân đội, Thống đốc bang Tennessee, Prentice Cooper, tức tối xé tan văn bản.
Ban đầu được biết đến là Bãi thử Kingston, vị trí này về sau được gọi là Công trường Clinton (CEW) vào đầu năm 1943. Để cho phép nhà thầu Stone &amp; Webster tập trung vào các cơ sở sản xuất, một khu cư trú cho 13 ngàn người được thiết kế và xây dựng bởi hãng kiến trúc và công trình Skidmore, Owings &amp; Merrill. Khu dân cư đặt ở các sườn dốc của Black Oak Ridge, nguồn gốc tên của thị trấn mới là Oak Ridge, Tennessee. Sự hiện diện của Lục quân gia tăng vào tháng 8 năm 1943 khi Nichols thay thế Marshall làm chỉ huy Khu vực Công trình Manhattan. Một trong các nhiệm vụ đầu tiên của ông là di chuyển sở chỉ huy khu vực tới Oak Ridge dù tên của khu vực vẫn giữ nguyên. Tháng 9 năm 1943 việc điều hành các cơ sở khu dân cư được chuyển giao cho Công ty Xây dựng Turner qua một công ty con được gọi là Công ty Roane-Anderson theo các tên các hạt ở Tennessee mà Oak Ridge đóng. Số dân cư ở Oak Ridge nhanh chóng vượt ra ngoài kế hoạch ban đầu, đạt tới đỉnh điểm 7,5 vạn người tháng 5 năm 1945, tính tới lúc đó tổng cộng đã có 82 nghìn người được thuê ở Công trường Clinton, và 10 nghìn người bởi Roane-Anderson.
Los Alamos.
Ý tưởng đặt Dự án Y ở Oak Ridge từng được xem xét, nhưng về sau người ta quyết định rằng nó nên nằm ở một địa điểm xa xôi. Theo đề xuất của Oppenheimer, việc tìm kiếm một vị trí thích hợp giới hạn trong vùng lân cận Albuquerque, New Mexico nơi Oppenheimer có một trại gia súc. Tháng 10 năm 1942, Thiếu tá John H. Dudley thuộc Khu vực Manhattan được cử tới khảo sát khu vực, và ông này khuyến nghị một địa điểm gần Jemez Springs, New Mexico. Ngày 16 tháng 11, Oppenheimer, Groves, Dudley và những người khác tham quan địa điểm. Oppenheimer sợ rằng những rặng núi cao xung quanh có thể khiến đội ngũ của ông cảm thấy sợ không gian kín hẹp, trong khi các kĩ sư lo ngại khả năng ngập lụt. Do đó đoàn di chuyển tới vùng xung quanh Trường Chăn nuôi Los Alamos. Oppenheimer ấn tượng và tha thiết đề xuất chỗ này vì phong cảnh thiên nhiên đẹp, đặc biệt là khung cảnh Dãy núi Sangre de Cristo hùng vĩ có thể gây cảm hứng cho những người làm việc trong dự án.. Các kĩ sư lo lắng về đường sá xa xôi và không chắc đủ nguồn cung cấp nước, nhưng ngoài những chuyện đó ra cảm thấy khá lý tưởng.
Patterson chuẩn thuận việc mua lại vị trí vào ngày 25 tháng 11 năm 1942, cấp 440 nghìn đô la để mua một vùng , tuy rằng phần lớn diện tích đó đã thuộc sở hữu của chính quyền Liên bang từ trước, trừ . Bộ trưởng Nông nghiệp Hoa Kỳ Claude R. Wickard cấp quyền sử dụng đất thuộc Cục Kiểm lâm Hoa Kỳ cho Bộ Chiến tranh "chừng nào các nhu cầu quân sự còn cần thiết". Nhu cầu lấy đất cho một con đường mới, và sau đó là để thiết lập một đường dây điện dài , khiến cho việc mua đất mở rộng ra một diện tích , nhưng chỉ tiêu tốn 414971 đô la. Các công ty M. M. Sundt thuộc Tucson, Arizona, và Willard C. Kruger cùng cộng sự của Santa Fe, New Mexico trúng thầu tư vấn kiến trúc và xây dựng công trình. Công trình khởi công vào tháng 12 năm 1942. Groves ban đầu dành khoảng 300 nghìn đô la cho xây dựng, gấp 3 lần đánh giá của Oppenheimer, dự tính hoàn thành vào ngày 15 tháng 1943. Tuy nhiên người ta sớm nhận thấy Dự án Y lớn hơn nhiều nhận định, và tới thời điểm Sundt hoàn thành ngày 30 tháng 11 năm 1943, công trình tiêu tốn khoảng 7 triệu đô la..
Để giữ bí mật, Los Alamos được gọi bằng tên "Địa điểm Y" hoặc "Vùng Đồi". Những tờ giấy khai sinh cho những đứa trẻ người Anh sinh ra ở Los Alamos trong cuộc chiến ghi nơi sinh là PO Box 1663 ở Santa Fe. Ban đầu Los Alamos từng hoạt động như một phòng thí nghiệm quân sự với Oppenheimer và các nhà khoa học khác được bổ nhiệm vào quân đội. Oppenheimer đi xa tới mức đặt cho mình một bộ trang phục trung tá, nhưng hai nhà khoa học chủ chốt là Robert Bacher và Isidor Rabi phản đối ý tưởng này. Conant, Groves và Oppenheimer sau đó đề ra một thỏa hiệp theo đó phòng thí nghiệm vận hành bởi Đại học California theo hợp đồng ký với Bộ Chiến tranh.
Argonne.
Một ủy ban Lục quân-OSRD họp ngày 25 tháng 6 năm 1942 quyết định xây một nhà máy chạy thử cho việc sản xuất plutoni ở Rừng Red Gates tây nam Chicago. Vào tháng 7, Nichols tiến hành thương thảo để thuê từ Khu vực Bảo tồn Rừng hạt Cook, và Đại úy James F. Grafton được bổ nhiệm làm công trình sư ở khu vực Chicago. Người ta sớm nhận ra rằng quy mô dự án lớn hơn nhiều sức chứa của khu vực, và quyết định xây nhà máy ở Oak Ridge, trong khi giữ một cơ sở nghiên cứu và thử nghiệm ở Chicago.
Sự trì hoãn xây dựng nhà máy ở Rừng Red Gate khiến Compton chuẩn thuận cho Phòng thí nghiệm Luyện kim xây dựng lò phản ứng đầu tiên gần Sân vận động Stagg ở Đại học Chicago. Lò phản ứng cần những lượng khổng lồ than chì dạng khối và urani dạng viên. vào thời điểm đó, nguồn cung cấp urani tinh khiết rất hạn chế. Frank Spedding của Đại học Bang Iowa chỉ có thể sản xuất hai tấn thiếu urani tinh khiết. Ba tấn thiếu urani kim loại nữa được Nhà máy Đèn Westinghouse trong tình hình cấp bách với một quá trình để thay thế tạm thời. Một quả khí cầu lớn hình vuông được chế tạo bởi Công ty Cao su và Lốp Goodyear để bọc lò phản ứng. Ngày 2 tháng 12 năm 1942, một đội do Enrico Fermi đứng đầu khởi động phản ứng dây chuyền hạt nhân tự duy trì nhân tạo đầu tiên trong một lò phản ứng thử nghiệm tên là Chicago Pile-1. Thời điểm mà một phản ứng đạt tới chỗ tự duy trì được gọi là "tới hạn". Compton báo cáo thành công với Conant ở Washington, D.C., bằng một cuộc gọi mã hóa, nói rằng, "nhà hàng hải người Ý [ám chỉ Fermi] vừa mới đặt chân lên thế giới mới."
Tháng 1 1943, người kế tục Grafton, Thiếu tá Arthur V. Peterson, ra lệnh tháo dỡ Chicago Pile-1 và tái lắp đặt ở Rừng Red Gate, vì ông cho rằng việc vận hành một lò phản ứng là quá mạo hiểm cho một khu vực đông người như trường đại học. Sau cuộc chiến, những hoạt động của lò phản ứng chuyển tới Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne mới xây cách đó .
Hanford.
Đến cuối tháng 12 người ta lo ngại rằng Oak Ridge quá gần một trung tâm dân cư lớn (Knoxville), nếu xảy ra thảm họa hạt nhân tổn thất sẽ rất lớn. Groves thuê DuPont vào tháng 11 năm 1942 làm nhà thầu chính cho việc xây dựng một tổ hợp sản xuất plutoni. Dupont nhận được một hợp đồng thầu khoán nhưng Chủ tịch của công ty này, Walter S. Carpenter, Jr., không muốn nhận một chút lợi nhuận nào và còn yêu cầu hợp đồng mà quân đội đưa ra cần sửa đổi để loại trừ rõ ràng chuyện công ty kiếm được bất kỳ quyền bản quyền nào từ dự án. Điều này được chấp nhận, nhưng do các lý do pháp lý người ta thống nhất đưa ra một khoản tiền công tượng trưng trị giá 1 đô la. Sau chiến tranh, DuPont yêu cầu sớm ra khỏi hợp đồng và do đó phải trả lại 33 cent.
DuPont đề xuất rằng vị trí này cần xa cơ sở sản xuất urani ở Oak Ridge. Tháng 12 năm 1942, Groves gửi Đại tá Franklin Matthias và các kỹ sư của Dupont tới thăm dò các địa điểm tiềm năng. Matthias báo cáo lại rằng Địa điểm Hanford gần Richland, Washington "lý tưởng về hầu hết các khía cạnh". Nó nằm cô lập và gần Sông Columbia, có thể cung cấp đủ nước để làm nguội lò phản ứng sản xuất plutoni. Groves tới thăm địa điểm đó vào tháng 1 và sau đó lập nên Công trường Công binh Hanford (HEW), mật danh là "Địa điểm W".
Thứ trưởng Patterson phê chuẩn địa điểm vào ngày 9 tháng 2, phân bổ 5 triệu đô la để trưng mua một diện tích trong khu vực này. Chính phủ liên bang đã tái định cư khoảng 1500 cư dân của White Bluffs và Hanford và các điểm dân cư lân cận, cũng như người Wanapum và các bộ lạc săn bắn trên khu vực. Một cuộc tranh luận nảy sinh giữa chính quyền với nông dân về việc đền bù cho vụ mùa trồng trước thời điểm trưng mua. Ở những nơi thống nhất được thời hạn, quân đội cho phép nông dân thu hoạch vụ mùa nhưng không phải nơi nào cũng vậy. Quá trình trưng mua đất trì trệ và còn chưa hoàn tất khi Dự án Manhattan kết thúc vào tháng 12 năm 1946.
Tranh cãi đó tuy vậy không làm công việc trì hoãn. Mặc dù những tiến bộ trong thiết kế lò phản ứng ở Phòng thí nghiệm Luyện kim và Dupont không đủ để tiên đoán chính xác quy mô của dự án, người ta đã khởi công vào tháng 4 năm 1943 với một cơ sở có 25 nghìn công nhân, một nửa trong đó sống tại địa điểm. Tới tháng 7 năm 1944, chừng 1200 tòa nhà đã được dựng lên và gần 51 nghìn người sống trong các trại xây dựng. Là công trình sư của khu vực, Matthias đảm nhiệm kiểm soát bao quát toàn địa điểm. Vào lúc đỉnh điểm, trại xây dựng ở Hanford từng là thị trấn đông dân thứ ba trên toàn bang Washington. Hanford vận hành một đoàn xe bus hơn 900 chiếc, lớn hơn cả của thành phố Chicago. Giống như Los Alamos và Oak Ridge, Richland là một khu vực được canh gác và quyền tiếp cận bị hạn chế, nhưng so với hai nơi trên nó trông giống một thị trấn bùng nổ dân số điển hình trong thời chiến hơn: hiện diện quân sự ít hơn, các yếu tố an ninh như tường cao, tháp canh và chó tuần tra ít xuất hiện.
Ở Canada.
Vai trò chủ yếu của Canada trong dự án Manhattan là cung cấp các nguồn nguyên vật liệu quan trọng, bao gồm quặng urani ở Mỏ Eldorado ở Cảng Radium, và các cơ sở nước nặng ở British Columbia và phòng nghiên cứu ở Ontario.
British Columbia.
Công ty Khoáng sản Cominco của Canada đã sản xuất hiđrô điện phân ở Trail, British Columbia, từ năm 1930. Năm 1941 Urey đề xuất rằng nó có thể sản xuất nước nặng. Bên cạnh nhà máy trị giá 10 triệu đô la sẵn có với 3215 tế bào điện phân tiêu thụ 75 MW thủy điện, các tế bào điện phân thứ cấp thêm vào để tăng nồng độ deuterium trong nước từ 2,3% lên 99,8%. Hugh Taylor của Princeton đã phát triển một chất xúc tác platinum trên carbon cho ba tầng đầu tiên trong khi Urey phát triển một tầng nickel-chrom oxit thành một tháp 4 tầng. Chi phí cuối cùng khoảng 2,8 triệu đô la. Chính phủ Canada không chính thức biết về dự án mãi cho tới tháng 8 năm 1942. Việc sản xuất nước nặng ở Trail bắt đầu từ tháng 1 năm 1944 và kéo dài tới năm 1956. Nước nặng từ Trail được dùng cho Chicago Pile 3, lò phản ứng đầu tiên sử dụng nước nặng và urani tự nhiên, đạt điểm tới hạn ngày 15 tháng 5 năm 1944.
Ontario.
Địa điểm Chalk River, Ontario, được thành lập để chuyển nghiên cứu của Đồng minh ở Phòng thí nghiệm Montréal khỏi khu vực đô thị. Một cộng đồng mới được xây dựng ở Deep River, Ontario cung cấp nơi ở và cơ sở thiết bị cho đội ngũ. Địa điểm được chọn do gần với các khu công nghiệp chế tạo của Ontario và Quebec, cũng như một tuyến đường sắt nối với một căn cứ quân sự lớn, Trại Petawawa. Nằm trên sông Ottawa, nó có nguồn cung cấp nước dồi dào. Giám đốc đầu tiên của phòng thí nghiệm mới là John Cockcroft, sau đó là Bennett Lewis. Một lò phản ứng chạy thử được biết dưới tên ZEEP trở thành lò phản ứng đầu tiên ở Canada, cũng là lò phản ứng hoàn thành đầu tiên ngoài Hoa Kỳ, khi nó đạt điểm tới hạn tháng 9 năm 1945. Một lò phản ứng lớn hơn, công suất 10 MW, là NRX, được thiết kế trong chiến tranh, hoàn thành và đạt điểm tới hạn tháng 7 năm 1947.
Các cơ sở nước nặng.
Mặc dù thiết kế lò phản ứng được ưu tiên của Dupont sử dụng helium để làm nguội và than chì làm chất điều hòa, DuPont vẫn bày tỏ sự quan tâm tới việc sử dụng nước nặng như phương án dự phòng trường hợp lò phản ứng than chì tỏ ra bất khả thi vì lý do nào đó. Theo đó, người ta ước tính rằng sẽ cần 3 tấn Anh nước nặng mỗi tháng. Dự án P-9 là mật danh chính phủ gọi chương trình sản xuất nước nặng. Vì nhà máy ở Trail, khi đó đang thi công, chỉ có thể sản xuất 0.5 tấn Anh mỗi tháng, dự án cần thêm nguồn cung cấp khác. Groves cho phép DuPont thiết lập các cơ sở nước nặng ở Công xưởng Quân khí Morgantow gần Morgantown, West Virginia; tại Công xưởng Quân khí Wabash Rive, gần Dana và Newport, Indiana; và tại Công xưởng Quân khí, gần Childersburg và Sylacauga, Alabama. Mặc dù gọi là các công xưởng quân khí và lương trả theo các hợp đồng với Cục Quân nhu Lục quân, chúng được xây dựng và vận hành bởi Công binh Lục quân. Các nhà máy Hoa Kỳ sử dụng một quy trình khác với ở Trail; nước nặng được tách ra nhờ chưng cất, lợi dụng điểm sôi của nó hơi cao hơn nước thường.
Urani.
Quặng.
Nguyên liệu thô chủ yếu của dự án là urani - được sử dụng làm nhiên liệu của lò phản ứng, làm chất liệu để chế tạo plutoni và làm bom nguyên tử (dưới dạng được làm giàu). Vào thời điểm năm 1940, có bốn mỏ lớn urani được biết tới: ở Colorado, ở bắc Canada, ở Joachimstal thuộc Tiệp Khắc và ở Congo thuộc Bỉ; trừ Joachimstal còn lại 3 mỏ kia đều nằm trong tay Đồng minh. Một cuộc khảo sát vào tháng 11 năm 1942 xác định rằng dự án có đủ nguồn cung cấp urani để chế tạo bom. Nichols sắp xếp với Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ để kiểm soát việc xuất khẩu oxit urani và thương thảo việc mua 1200 tấn Anh quặng urani từ Congo thuộc Bỉ đang được trữ trong một kho thuộc Đảo Staten và lượng quặng đã được đào đang trữ ở Congo. Ông thảo luận với Công ty Mỏ vàng Eldorado để mua quặng từ mỏ ở Port Hope, Ontario, vận chuyển theo mỗi lô 100 tấn. Chính phủ Canada sau đó tìm cách mua lại cổ phiếu công ty này cho đến khi nắm được cổ phần kiểm soát.
Mặc dù những thương vụ trên đảm bảo nguồn cung cấp đầy đủ cho các nhu cầu thời chiến, các nhà lãnh đạo Hoa Kỳ và Anh đi đến chỗ quyết định rằng lợi ích quốc gia của họ đòi hỏi phải nắm quyền kiểm soát càng nhiều càng tốt các mỏ urani trên toàn thế giới. Nguồn quặng giàu nhất là ở mỏ Shinkolobwe ở Congo thuộc Bỉ, nhưng nơi này đã bị lụt và phải đóng cửa. Nichols tìm cách thỏa thuận để mở cửa lại mỏ và thu mua toàn bộ sản lượng trong tương lai với Edgar Sengier, giám đốc công ty sở hữu mỏ, Union Minière du Haut Katanga, nhưng không thành công. Vấn đề này được đưa lên Ủy ban Chính sách Hỗn hợp. Vì 30% cổ phần công ty nằm trong tay người Anh, nước Anh đóng vai trò chính trong các cuộc thương thảo. Tử tước Waverley và Đại sứ John Winant tìm ra một thỏa thuận với Sengier và chính phủ Bỉ lưu vong vào tháng 5 năm 1944 để mở lại mỏ và bán 1720 tấn Anh quặng với giá 1,45 đô la một bảng. Để tránh sự phụ thuộc vào Anh và Canada, Groves cũng sắp xếp để mua kho dự trữ urani của Tập đoàn Vanadium Hoa Kỳ ở Uravan, Colorado. Các mỏ ở Colorado sản xuất được khoảng 800 tấn Anh quặng.
Tập đoàn Mallinckrodt ở St. Louis, Missouri, nhận quặng thô và hòa tan nó trong axit nitric để sản xuất uranyl nitrat (UO2(NO3)2. Ether được hòa vào để loại chất pha tạp trong một quá trình trích xuất dung môi. Uranyl nitrat sau đó được nung để tạo thành urani trioxit, rồi cuối cùng thu được urani dioxide có độ tinh khiết cao. Tới tháng 7 năm 1942, Mallinckrodt sản xuất được 1 tấn oxit tinh khiết 1 ngày, nhưng chuyển nó thành urani kim loại ban đầu tỏ ra khó khăn hơn nhiều đối với các nhà thầu Westinghouse và Metal Hydrides. Sản lượng rất thấp, còn chất lượng thấp một cách không thể chấp nhận. Một nhánh đặc biệt của Phòng thí nghiệm Luyện kim được thành lập ở Đại học Bang Iowa ở Ames, Iowa, dưới quyền Frank Spedding để nghiên cứu phương pháp thay thế, và quá trình Ames (mô tả trong hình phía dưới) đi vào vận hành năm 1943, cho phép sản xuất urani kim loại quy mô lớn.
Phân tách đồng vị.
Urani tự nhiên chứa 99,3% urani-238 và 0.7% urani-235, nhưng chỉ đồng vị sau mới có thể phân hạch. Urani-235 giống hệt về hóa học với đồng vị chính nên chỉ có thể tách ra bằng phương pháp vật lý. Nhiều phương pháp làm giàu urani khác nhau đã được xem xét, hầu hết thực hiện tại Oak Ridge.
Công nghệ trực tiếp nhất, phương pháp ly tâm, thất bại, nhưng các công nghệ phân tách điện từ, khuếch tán khí và khuếch tán nhiệt đều thành công và đóng góp vào dự án. Tháng 2 năm 1943, Groves đi đến ý tưởng sử dụng sản phẩm đầu ra của nhà máy này (làm giàu mức thấp) làm nguyên liệu đầu vào cho nhà máy khác.
Máy ly tâm.
Quá trình ly tâm được xem là phương pháp phân tách duy nhất có triển vọng vào tháng 4 năm 1942. Jesse Beams đã phát triển một quá trình như vậy ở Đại học Virginia những năm 1930, nhưng gặp phải những khó khăn kĩ thuật. Quá trình này cần vận tốc quay rất cao nhưng, ở những vận tốc nhất định dao động điều hòa sinh ra đe dọa xé tan cỗ máy. Do đó cần thiết phải tăng tốc rất nhanh qua những vận tốc này. Năm 1941 ông bắt đầu làm việc với urani hexaflorit, hợp chất duy nhất của urani ở dạng khí, và tách thành công urani-235. Ở Columbia, Urey yêu cầu Cohen xem xét quá trình, và Cohen tạo ra một tập hợp lý thuyết toán học cho phép thiết kế một bộ phân tách ly tâm, giao cho Westinghouse tiến hành xây dựng.
Việc nhân rộng quy mô quá trình này cho nhà máy sản xuất gây ra một thách thức kĩ thuật gay go. Urey và Cohen ước tính rằng để sản xuất 1 kg urani-235/ngày cần tới 50 nghìn máy ly tâm với rôto kích thước 1m, hoặc 10 nghìn máy rôto 4m, giả sử chế tạo được rôto 4m (vốn chưa có thời bấy giờ). Viễn cảnh giữ cho nhiều rôto vận hành liên tục ở tốc độ cao tỏ ra gây nản chí, và khi Beams vận hành thiết bị thí nghiệm của ông, ông chỉ thu được 60% sản lượng tiên đoán, nghĩa là cần nhiều máy ly tâm hơn nữa. Beams, Urey và Cohen bắt đầu nghiên cứu một loạt những cải tiến hứa hẹn có thể tăng hiệu suất của quá trình. Tuy nhiên, những lần hỏng hóc thường xuyên của động cơ, trục và giá đỡ ở tốc độ cao làm cản trở công việc ở nhà máy chạy thử. Tháng 11 năm 1942 quá trình ly tâm bị Ủy ban Chính sách Quân sự loại bỏ theo một khuyến nghị từ Conant, Nichols và August C. Klein của Stone &amp; Webster.
Phân tách điện từ.
Phân tách điện từ được phát triển bởi Lawrence ở Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học California. Phương pháp này sử dụng các thiết bị được gọi là calutron, một thiết bị lai giữa một phổ kế khối lượng thông thường ở phòng thí nghiệm và cyclotron. Tên gọi của nó hợp thành từ các chữ cái trong "California", "university" và "cyclotron". Trong quá trình điện từ, một từ trường làm chệch hướng các hạt mang điện theo những góc khác nhau phụ thuộc vào khối lượng. Quá trình này không khéo léo về mặt khoa học cũng không hiệu quả trên phương diện công nghiệp. So với một nhà máy khuếch tán khí hay lò phản ứng hạt nhân, một nhà máy phân tách điện từ sẽ tiêu thụ nhiều vật liệu hiếm hơn, đòi hỏi nhiều nhân lực để vận hành hơn, và xây dựng tốn kém hơn. Tuy nhiên, quá trình này được chấp thuận vì nó dựa trên một công nghệ đã được thực hiện và do đó ít có rủi ro hơn. Hơn nữa, nó có thể xây dựng theo từng tầng, và đạt tới quy mô công nghiệp nhanh chóng.
Marshall và Nichols phát hiện ra rằng quá trình phân tách đồng vị điện từ sẽ cần 5000 tấn đồng, vốn đang rất thiếu thốn khi đó. Tuy nhiên, người ta thấy rằng có thể thay thế bằng bạc, với tỉ lệ 11:10. Ngày 3 tháng 8 năm 1942, Nichols gặp Thứ trưởng Bộ Ngân khố Daniel W. Belll để yêu cầu chuyển giao 6000 tấn bạc thỏi từ Kho West Point. "Anh bạn trẻ", Bell nói với ông, "anh có thể tính bạc bằng tấn nhưng Bộ Ngân khố luôn tính bạc theo ounce!" Trên thực tế, bạc vẫn được chuyển giao và dự án đã sử dụng tới 14700 tấn.
Những thỏi bạc được đúc thành những thanh hình trụ và đem tới hãng Phelps Dodge ở Bayway, New Jersey nơi chúng được cán thành những dải dày , rộng và dài . Sau đó chúng được cuộn thành cuộn nam châm bởi hãng Allis-Charmers ở Milwaukee, Wisconsin. Sau chiến tranh, tất cả các máy móc được tháo dỡ và cọ sạch, còn tất cả các tấm sàn gần máy móc cũng được lột ra và đem đốt để thu hồi những vảy bạc vương vãi. Kết quả là vào cuối dự án, chỉ có 1/3600000 lượng bạc bị mất mát
. Lượng bạc này được trả lại cho Ngân khố Liên bang, một quá trình chỉ kết thúc tháng 5 năm 1970.
Ủy ban S-1 giao trách nhiệm thiết kế và xây dựng nhà máy phân tách điện từ, được gọi với mật danh Y-12, cho Stone &amp; Webster tháng 6 năm 1942. Thiết kế cần các bộ xử lý 5 giai đoạn, được gọi là các "trường đua" ("racetrack") Alpha, và hai bộ xử lý cuối cùng, được gọi là các trường đua Beta. Vào tháng 9 năm 1943 Groves cho phép xây dựng thêm 4 trường đua nữa, gọi là Alpha II. Công việc bắt đầu vào tháng 2 năm 1943.
Khi nhà máy khởi động chạy thử lên lịch vào tháng 10, các bình chân không 14 tấn tuột ra khỏi hệ thống bởi công suất của các nam châm siêu mạnh, và phải được đóng chặt lại cẩn thận hơn. Một vấn đề nghiêm trọng hơn nảy sinh khi các cuộn nam châm bắt đầu bị chập mạch. Tháng 12 Groves ra lệnh gỡ nam châm, đập vỡ ra và họ phát hiện thấy những nắm gỉ ở bên trong. Groves ra lệnh tháo hết các trường đua và gửi nam châm về xưởng để làm sạch. Một nhà máy tẩy rửa bằng axit được thành lập ở Oak Ridge để rửa những ống và máy móc. Trường đua Alpha I thứ hai không hoạt động cho đến cuối tháng 1 năm 1944, trong khi các trường đua Beta đầu tiên và Alpha I thứ nhất và thứ ba hoạt động vào tháng 3, cái thứ tư vào tháng 4. 4 trường đua Alpha II được hoàn thành giữa tháng 7 và tháng 10 năm 1944.
Hãng Tennessee Eastman được thuê để vận hành Y-12 theo hợp đồng gồm giá và tiền khoán nhất định, với khoản tiền 22500 đô la mỗi tháng cộng thêm 7500 mỗi trường đua cho 7 trường đua đầu tiên và 4000 cho mỗi trường đua từ thứ 8 trở đi. Các calutron ban đầu được vận hành bởi các nhà khoa học từ Berkeley để loại bỏ trục trặc kĩ thuật và đạt được một tốc độ vận hành hợp lý. Sau đó chúng được chuyển qua tay các điều hành viên từ Tennessee Eastman được huấn luyện, những người chỉ có bằng tốt nghiệp trung học. Nichols so sánh dữ liệu sản phẩm hai đơn vị, và chỉ cho Lawrence thấy rằng cô gái điều hành viên trẻ "từ rừng rú" vượt trội những tiến sĩ của ông này. Họ thỏa thuận làm một cuộc thi về tốc độ sản xuất và Lawrence bị thua cuộc, một sự cổ vũ tinh thần cho các công nhân Eastman và giám sát viên. Các cô gái "được huấn luyện như những người lính để không băn khoăn về lý do", trong khi "các nhà khoa học không thể nhịn được việc khảo sát tốn thời gian về nguyên nhân của ngay cả những dao động nhỏ trên các con số."
Y-12 ban đầu làm giàu hàm lượng urani-235 tới khoảng từ 13 tới 15%, và chuyển vài trăm gam sản phẩm đầu tiên tới Los Alamos vào tháng 3 năm 1944. Chỉ 1/5825 lượng chất liệu urani đưa vào tạo ra sản phẩm cuối cùng. Phần còn lại rơi vãi lên thiết bị trong quá trình. Các nỗ lực thu hồi căng thẳng đã làm tăng sản lượng nên 10% urani đầu vào tháng 1 năm 1945. Vào tháng 2 các trường đua bắt đầu nhận những chất liệu đã được làm giàu một ít (1,4%) từ các nhà máy khuếch tán nhiệt S-50 mới. Tháng sau đó nó nhận được chất liệu cải tiến (5%) từ nhà máy khuếch tán khí K-25. Tới tháng 4 K-25 đã có thể sản xuất urani đủ giàu để đưa thẳng vào các trường đua Beta.
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 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 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.
Khuếch tán nhiệt.
Quá trình khuếch tán nhiệt dựa trên Lý thuyết Chapman-Enskog của Sydney Chapman và David Enskog, giải thích rằng khi một hỗn hợp khi đi qua một miền chênh lệch nhiệt độ, khí nặng hơn sẽ tập trung ở đầu lạnh hơn còn khí nhẹ hơn sẽ ở đầu nóng hơn. Vì các khí nóng thường có xu hướng đi lên và khí lạnh đi xuống, điều này có thể lợi dụng để tách đồng vị. H. Clusius và G. Dickel đã chứng minh quá trình này lần đầu tiên ở Đức năm 1938. Nó được các nhà nghiên cứu thuộc Hải quân Hoa Kỳ phát triển, nhưng không phải là một trong những công nghệ ban đầu được chọn cho Dự án Manhattan. Lý do cho điều này chủ yếu là những nghi ngờ về tính khả thi về mặt kĩ thuật, nhưng mối kình địch giữa hai quân chủng Hải quân và Lục quân cũng đóng một vai trò.
Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân tiếp túc nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Philip Abelson, nhưng ít có liên lạc với Dự án Manhattan cho tới tháng 4 năm 1944, khi Đại tá William S. Parsons, sĩ quan hải quân phụ trách phát triển vũ khí ở Los Alamos, đem tới cho Oppenheimer tin tức về những tiến bộ đáng khích lệ trong các thí nghiệm của Hải quân về khuếch tán nhiệt. Oppenheimer viết thư Groves đề xuất rằng thành phẩm từ một nhà máy khuếch tán nhiệt có thể làm vật liệu đầu vào cho Y-12. Groves lập ra một ủy ban bao gồm Warren K. Lewis, Eger Murphree và Richard Tolman để xem xét ý tưởng, và họ đánh giá rằng một nhà máy khuếch tán nhiệt tốn khoảng 3,5 triệu đô la có thể làm giàu 50 kg urani một tuần đạt tới 0,9% urani-235. Groves phê chuẩn việc xây dựng vào ngày 24 tháng 6 năm 1944.
Groves ký hợp đồng với Công ty H. K. Ferguson ở Cleveland, Ohio để xây dựng nhà máy khuếch tán nhiệt, đặt tên là S-50. Các cố vấn của Groves, Karrl Cohen và W. I. Thompson từ hãng Esso, ước tính rằng sẽ cần 6 tháng để xây dựng. Groves chỉ cho Ferguson đúng 4 tháng. Các kế hoạch đề xuất thiết lập 2142 cột khuếch tán cao sắp xếp thành 21 đường máng. Bên trong mỗi cột có ba ống đồng tâm. Hơi nước, nhận từ nhà máy điện gần K-25 với áp suất và nhiệt độ , tuôn xuống dưới từ ống nickel , trong khi nước ở nhiệt độ chảy hướng lên thông qua ống sắt ngoài cùng. Sự phân tách đồng vị xảy ra trong khí urani hexafluoride giữa các ống nickel và ống đồng.
Công trình bắt đầu ngày 9 tháng 7 năm 1944, và S-50 bắt đầu vận hành từng bước trong tháng 9 bởi thông qua một công ty con của Ferguson có tên là Fercleve. Nhà máy sản xuất chỉ 0,852% urani-235 vào tháng 10. Sự rò rỉ hạn chế việc sản xuất và thậm chí khiến nó phải đóng cửa vài tháng sau đó, nhưng tháng 6 năm 1945 nó đã tạo ra được . Tới tháng 4 năm 1945, tất cả các đường máng sản xuất được vận hành. Ban đầu sản phẩm đầu ra của S-50 được dùng làm đầu vào cho Y-12, nhưng từ tháng 3 năm 1945 tất cả ba quá trình làm giàu chạy nối tiếp nhau. S-50 trở thành tầng đầu tiên, làm giàu từ 0,71 tới 0,89%. Sau đó vật liệu này được đưa vào quá trình khuếch tán khí ở nhà máy K-25, tạo ra sản phẩm làm giàu khoảng 23%. Sau đó, nó được đưa tiếp vào Y-12, đẩy hàm lượng làm giàu lên tới 89%, đủ cho vũ khí nguyên tử.
Lượng urani sản phẩm cuối cùng được tích tụ và dần dần chuyển tới Los Alamos. Tới tháng 7 năm 1945, ở Alamos có khoảng 50 kg urani làm giàu tới 89%, trộn với một ít làm giàu 59% thành lượng urani độ giàu 85%, được sử dụng để chế tạo Little Boy
Plutoni.
Hướng phát triển thứ hai mà Dự án Manhattan theo đuổi sử dụng nguyên tố phân hạch plutoni. Mặc dù trong tự nhiên tồn tại một lượng nhỏ plutoni, cách tốt nhất để thu được một lượng lớn nguyên tố này là một lò phản ứng hạt nhân, trong đó urani tự nhiên bị neutron bắn phá. Urani 238 được chuyển hóa thành urani-239, đồng vị này phân rã nhanh chóng, đầu tiên thành neptunium-239 và sau đó là plutoni-239 Chỉ một lượng nhỏ urani-238 chuyển hóa, do đó cần phải phân tách plutoni tạo thành khỏi lượng urani còn dư, các tạp chất ban đầu, cũng như các sản phẩm phân hạch khác.
Lò phản ứng Than chì X-10.
Vào tháng 3 năm 1943, DuPont bắt đầu xây dựng một nhà máy trên một diện tích ở Oak Ridge. Dự định làm một nhà máy chạy thử cho các cơ sở sản xuất lớn hơn ở Hanford, nó bao gồm một Lò phản ứng Than chì X-10 làm nguội bằng không khí, một nhà máy phân tách hóa học, và các cơ sở phụ trợ. Do sau đó có quyết định xây các lò phản ứng làm nguội bằng nước ở Hanford, chỉ có nhà máy phân tách hóa học hoạt động như một nhà máy chạy thử thực sự. Lò phản ứng Than chì X-10 bao gồm một khối than chì khổng lồ, dài mỗi chiều, nặng chừng , bao quanh bởi bê tông đặc đóng vai trò lá chắn bức xạ.
Khó khăn lớn nhất là vấn đề các thanh urani sản xuất bởi Mallinckrodt và Metal Hydrides. Chúng bằng cách nào đó phải được phủ một lớp nhôm để tránh bị ăn mòn cũng như tránh sản phẩm phân hạch thoát ra rơi vào hệ thống làm nguội. Công ty Hóa chất Grassselli thử phát triển một quá trình nhúng nóng nhưng bất thành. Trong khi đó Alcoa thử phương pháp giống như đóng hộp. Một quá trình mới để hàn không chảy được phát triển, và 97% số hộp vượt qua một phép kiểm tra chân không tiêu chuẩn, nhưng bài kiểm tra nhiệt độ cao cho thấy tỉ lệ thất bại lớn hơn 50%. Tuy nhiên, việc sản xuất vẫn bắt đầu tháng 6 năm 1943. Phòng thí nghiệm Luyện kim cuối cùng phát triển được một kĩ thuật hàn cải tiến với sự giúp đỡ của General Electric, kĩ thuật này được đưa vào quá trình sản xuất từ tháng 10 năm 1943.
Dưới sự giám sát của Fermi và Compton, Lò phản ứng Than chì X-10 đạt điểm tới hạn vào ngày 4 tháng 11 năm 1943 với khoảng urani. Một tuần sau lượng urani tăng lên , nâng công suất phát của nó lên 500 kW, và tới cuối tháng plutoni đã được chế tạo. Những hiệu chỉnh theo thời gian đã giúp tăng công suất lên 4000 kW tháng 7 năm 1944. X-10 hoạt động như một nhà máy sản xuất cho tới tháng 1 năm 1945, khi nó chuyển sang các hoạt động nghiên cứu.
Các lò phản ứng Hanford.
Mặc dù thiết kế làm nguội bằng không khí được chọn cho lò phản ứng ở Oak Ridge để có thể dễ dàng xây dựng nhanh chóng, người ta nhận ra rằng điều này sẽ là không thực tiễn với các lò phản ứng sản xuất lớn hơn nhiều. Các thiết kế ban đầu của Phòng thí nghiệm Luyện kim và DuPont sử dụng helium để làm nguội, nhưng họ quyết định rằng làm nguội bằng nước sẽ đơn giản hơn, rẻ hơn và xây dựng nhanh hơn. Thiết kế hoàn thành vào ngày 4 tháng 10 năm 1943; trong thời gian đó, Matthias tập trung vào cải thiện địa điểm Hanford với việc dựng lên những nhà ở mới, cải tiến đường sá, xây dựng một đường sắt, nâng cấp hệ thống điện, nước và đường dây điện thoại.
Cũng như ở Oak Ridge, vấn đề khó nhất là việc đóng hộp những thanh urani, bắt đầu ở Hanford tháng 3 năm 1944. Chúng được tẩy axit để loại bỏ bụi và hợp kim nhôm-silic, đóng hộp bằng thủy lực, sau đó được phủ sử dụng hàn điện trong môi trường argon. Cuối cùng, chúng trải qua một loạt các bài kiểm tra các khe hổng hoặc lỗi hàn. Đáng thất vọng là hầu hết các thanh được đóng hộp ban đầu thất bại trong các phép kiểm tra, chỉ cho một vài thanh được đóng hộp thành công mỗi ngày. Nhưng tiến bộ từ từ được thực hiện và tới tháng 6 năm 1944 sản lượng tăng tới mức người ta tự tin sẽ có đủ thanh đóng hộp để khởi động Lò phản ứng B theo lịch vào tháng 8.
Công việc bắt đầu với lò phản ứng B, khởi công ngày 10 tháng 10 năm 1943, lò đầu tiên trong số 6 lò phản ứng 250 MW được lên kế hoạch. Khu tổ hợp lò phản ứng được ký hiệu từ A tới F, với các vị trí B, D và F được chọn để phát triển trước, vì điều này sẽ giãn tối đa khoảng cách giữa các lò. Đây cũng là các lò duy nhất xây dựng trong Dự án Manhattan. Chừng thép, bê tông được dùng để xây dựng tòa nhà cao .
Việc xây dựng lò phản ứng bắt đầu tháng 2 năm 1944. Dưới sự chứng kiến của Compton, Matthias, Crawford Greenewalt của Dupont, Leona Woods và Fermi, người đặt thanh urani đầu tiên, lò phản ứng khởi động vào ngày 13 tháng 9 năm 1944. Mấy ngày sau đó, 838 ống được đưa vào lò phản ứng đạt tái điểm tới hạn. Ngay sau nửa đêm ngày 27 tháng 9, các điều hành viên bắt đầu rút các thanh điều khiển để bắt đầu sản xuất. Ban đầu mọi thứ có vẻ tốt nhưng vào khoảng 3 giờ mức công suất bắt đầu tụt và tới 6 giờ 30 lò phản ứng phải tắt hoàn toàn. Người ta điều tra nước làm nguội xem có sự rò rỉ hay nhiễm bẩn gì không. Ngày hôm sau lò được tái khởi động, nhưng rồi lại phải tắt đi.
Fermi liên lạc với Chien-Shiung Wu, người nhận diện nguyên nhân vấn đề là nhiễm độc neutron từ xenon-135, có chu kỳ bán rã 9,2 giờ. Fermi, Woods, Donald J. Hughes và John Archibald Wheeler sau đó tính toán tiết diện hạt nhân của xenon-135, cho thấy nó lớn hơn urani 30 nghìn lần. May mắn là một kĩ sư của DuPont là George Graves đã sửa đổi thiết kế ban đầu của Phòng thí nghiệm Luyện kim một chút, theo đó lò phản ứng có 1500 ống xếp thành một vòng tròn, và thêm 504 ống để lấp đầy các góc. Các nhà khoa học ban đầu coi kĩ thuật cầu kỳ này là một sự lãng phí thời gian và tiền bạc, nhưng Fermi nhận ra rằng bằng việc cho tất cả 2004 ống, lò phản ứng có thể đạt tới mức công suất yêu cầu và tạo ra plutoni một cách hiệu quả. Lò phản ứng D được khởi động vào ngày 17 tháng 12 năm 1944 và Lò phản ứng F vào ngày 25 tháng 2 năm 1945.
Quá trình phân tách.
Trong khi đó, các nhà hóa học xem xét vấn đề làm thế nào để có thể tách plutoni khỏi urani khi tính chất hóa học của nó còn chưa biết. Làm việc với một lượng rất nhỏ plutoni mà Phòng thí nghiệm luyện kim có được năm 1942, một nhóm dưới sự chỉ đạo của Charles M. Cooper đã phát triển quá trình lanthan florit để tách urani và plutoni, quá trình này được chọn cho nhà máy phân tách chạy thử. Một quá trình phân tách thứ hai, quá trình bismut phôtphat, sau đó được Seaborg và Stanly G. Thomson phát triển. Quá trình này diễn ra bằng cách chuyển plutoni giữa các trạng thái oxy hóa +4 và +6 trong các dung dịch bismuth phosphate. Trong trạng thái đầu, plutoni kết tủa, còn trạng thái sau nó ở lại dung dịch và các sản phẩm khác bị kết tủa.
Greenewalt ưu tiên quá trình bismut phôtphat do tính ăn mòn của lanthanum florit, và nó được chọn cho các nhà máy phân tách ở Hanford. Khi X-10 bắt đầu sản xuất plutoni, nhà máy phân tách chạy thử được đưa vào thử nghiệm. Lượng đầu tiên đạt hiệu suất 40% nhưng vài tháng sau nó tăng lên 90%.
Ở Hanford, ưu tiên cao nhất ban đầu dành cho việc thiết đặt khu vực 300. Khu vực này bao gồm các tòa nhà để kiểm tra vật liệu, chuẩn bị urani, và lắp ráp và hiệu chỉnh thiết bị. Một trong các tòa nhà chứa các thiết bị đóng hộp cho các thành urani, trong khi một nhà khác chứa một lò phản ứng chạy thử cỡ nhỏ. Bất chấp ưu tiên cao dành cho nó, công việc trên khu vực 300 tụt lại so với lịch trình do bản chất đặc biệt và phức tạp của các cơ sở bên trong nó, cũng như sự thiếu thốn nhân và vật liệu thời chiến.
Các kế hoạch ban đầu dự định xây hai nhà máy phân tách ở các khu vực được gọi là 200-Đông và 200-Tây. Điều này về sau thu hẹp lại thành xây dựng những hai nhà máy nhỏ T và U ở 200-Tây và nhà máy B ở 200-Đông. Mỗi nhà máy phân tách bao gồm 4 tòa nhà: một nhà chứa buồng xử lý hay có biệt danh là "hẻm núi" (ký hiệu 221), một nhà ngưng tụ (224), một nhà làm sạch (231) và một nhà kho (213). Các "hẻm núi" mỗi tòa dài và rộng , chứa 40 buồng kích thước .
Công trình bắt đầu ở 221-T và 221-U vào tháng 1 năm 1944, trong đó 221-T hoàn thành vào tháng 10 còn 221-U hoàn thành vào tháng 12. Tòa nhà 221-B tiếp nối chúng vào tháng 3 năm 1945. Bởi lượng phóng xạ cao ở đó, tất cả công việc trong các nhà máy phân tách phải được thực hiện bằng điều khiển từ xa sử dụng truyền hình mạch đóng, một thứ thế giới bên ngoài chưa biết tới vào năm 1943. Việc bảo trì thực hiện với sự giúp đỡ của một đầu cần trục và các dụng cụ thiết kế đặc biệt cho mục đích đó. Các tòa nhà 224 nhỏ hơn bởi chúng có ít vật liệu để xử lý hơn, và độ phóng xạ cũng ít hơn. Các tòa nhà 224-T và 224-U được hoàn thành ngày 8 tháng 10 năm 1944, và 224-B theo sau đó vào ngày 10 tháng 2 năm 1945. Khi việc xây dựng bắt đầu vào ngày 8 tháng 4 năm 1944, người ta chưa rõ phương pháp làm sạch nào cuối cùng sẽ được sử dụng nhưng nhà máy đã hoàn thành và các phương pháp được lựa chọn vào cuối năm đó. Ngày 5 tháng 2 năm 1945, Matthias mang tận tay một lượng plutoni nitrat 95% tinh khiết đầu tiên tới một người đưa thư cho Los Alamos ở Los Angeles.
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 . 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 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 . 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.
Vụ thử Trinity.
Do tính phức tạp của một vũ khí nổ sập, người ta quyết định rằng, bất chấp phải tiêu phí vật liệu phân hạch, một vụ thử ban đầu là cần thiết. Groves tán thành vụ thử, nhưng đòi hỏi vật liệu phóng xạ phải được thu hồi. Do đó người ta xem xét tới một vụ xịt bom có kiểm soát, nhưng theo ý Oppenheimer cuối cùng một vụ thử bom hạt nhân quy mô đầy đủ dược chọn, mang mật danh "Trinity".
Tháng 3 năm 1944, việc lập kế hoạch thử nghiệm được giao cho Kenneth Bainbridge, một giáo sư vật lý ở Harvard, làm việc trong nhóm của Kistiakowsky. Bainbridge chọn Bãi thử bom gần Sân bay quân sự Alamogordo làm vị trí cho vụ thử. Bainbridge làm việc với Đại tá không quân Samuel P. Davalos về việc xây dựng Căn cứ Trinity và các cơ sở của nó, bao gồm các doanh trại, nhà kho, xưởng, kho thuốc nổ và kho lương thực.
Groves không lấy gì làm thích thú với viễn cảnh phải giải thích việc mất mát lượng urani trị giá cả tỷ đô la cho một ủy ban Thượng viện, nên ra lệnh chế tạo một bình chứa hình trụ mật danh "Jumbo" để thu hồi vật liệu phóng xạ trong trường hợp thất bại. Với kích thước dài và rộng , Jumbo được chế tạo với chi phí lớn từ sắt và thép bởi hãng Babcock &amp; Wilcox ở Barberton, Ohio. Sau khi hoàn thành nó được vận chuyển bằng xe goòng tới một đường tàu tránh ở Pope, New Mexico rồi đi thêm đường sắt bằng xe moóc hai máy kéo tới bãi thử. Tuy nhiên vào lúc nó tới, sự tự tin vào phương pháp nổ sập đã tăng lên rất nhiều, đồng thời plutoni cũng sẵn có hơn, nên Oppenheimer quyết định không dùng nó. Thay vì vậy, nó được đặt lên trên một ngọn tháp bằng thép cách vũ khí để ước lượng sức công phá của vụ nổ. Sau vụ nổ người ta thấy Jumbo vẫn tương đối nguyên vẹn, nhưng tháp đặt nó bị hủy hoại hoàn toàn, cho thấy rằng nó đã có thể dùng để chứa một vụ nổ xịt.
Một vụ nổ tiền kiểm tra được thực hiện vào ngày 7 tháng 5 năm 1945 để hiệu chỉnh các dụng cụ thiết bị. Một nền thử bằng gỗ được dựng cách Bãi 0 và người ta chất lên đó TNT pha với sản phẩm phân hạch hạt nhân dưới dạng những thanh nhỏ urani phóng xạ từ Hanford, được hòa tan và nhỏ giọt vào những ống bên trong thuốc nổ. Vụ nổ này được Oppenheimer và người phó mới của Groves, Chuẩn tướng Thomas Farrell chứng kiến. Các dữ liệu tiền kiểm tra tỏ ra có ý nghĩa sống còn với kết quả vụ thử Trinity.
Nhằm phục vụ cho vụ thử thật, vũ khí, được gọi là "thiết bị" ("gadget"), được nâng đặt lên đỉnh một tháp bằng thép cao , vì kích nổ ở độ cao đó sẽ cho một chỉ dẫn tốt hơn về cách vũ khí sẽ hoạt động khi được thả từ một máy bay ném bom. Việc kích nổ trong không khí tăng tối đa năng lượng tác động trực tiếp nên mục tiếp, và giảm bớt bụi phóng xạ. Thiết bị được lắp ráp dưới sự giám sát của Norris Bradbury tại Trại chăn nuôi McDonald (đã bỏ hoang) vào ngày 13 tháng 7, và được kéo bằng tời lên tháp ngày hôm sau. Trong số những người quan sát có Bush, Chadwick, Conant, Fermi, Groves, Lawrence, Oppenheimer và Tolman. Vào lúc 5 giờ 30 phút ngày 16 tháng 7 năm 1945 thiết bị phát nổ với năng lượng tương đương 20 nghìn tấn TNT, để lại một hố phủ trinitite (thủy tinh phóng xạ) rộng trên hoang mạc . Sóng xung kích lan ra hơn , và đám mây hình nấm cao tới . Âm thanh vụ nổ lan tới tận El Paso, Texas, và Groves phải tạo ra một câu chuyện che mắt dư luận rằng một vụ nổ kho đạn xảy ra ở Sân bay Alamogordo.
Nhân lực.
Vào tháng 6 năm 1944, Dự án Manhattan sử dụng khoảng 129 nghìn nhân công, bao gồm 84 500 công nhân xây dựng, 40 500 người vận hành nhà máy và 1800 nhân viên quân sự. Khi hoạt động xây dựng giảm bớt, tổng nhân lực giảm xuống còn 100 nghìn một năm sau đó, nhưng nhân viên quân sự lại tăng lên 5600 người. Việc tìm kiếm được lượng nhân lực cần thiết, đặc biệt là thợ lành nghề, là rất khó khăn vì phải cạnh tranh với các dự án thiết yếu phục vụ chiến tranh khác. Năm 1943, Groves nhận được ưu tiên đặc biệt tạm thời về nhân công từ Ủy ban Nhân lực Thời chiến. Tháng 3 năm 1944, cả Hội đồng Sản xuất Thời chiến và Ủy ban Nhân lực Thời chiến đều cấp cho dự án ưu tiên cao nhất.
Tolman và Conant, trong vai trò cố vấn khoa học của dự án, lập nên một danh sách những nhà khoa học tiềm năng và lấy ý kiến của các nhà khoa học làm việc cho dự án từ trước để đánh giá từng người trong danh sách. Groves sau đó gửi một thư riêng tới lãnh đạo của trường đại học hoặc công ty mà họ làm việc để yêu cầu tuyển họ cho công trình thiết yếu cho cuộc chiến. Tại Đại học Wisconsin–Madison, Stanislaw Ulam cho một sinh viên của ông, Joan Hinton, một kỳ thi sớm để cô này có thể tốt nghiệp, tham gia vào công cuộc chiến tranh. Chỉ vài tuần sau, chính Ulam nhận được thư từ Hans Bethe mời ông tham gia dự án. Conant tự thân thuyết phục chuyên gia thuốc nổ George Kistiakowsky tham gia.
Một nguồn nhân lực tay nghề cao chính là từ Lục quân, đặc biệt là Chương trình Huấn luyện Bộ binh Đặc nhiệm. Năm 1943, MED tạo nên Phân đội Công binh Đặc biệt ("Special Engineer Detachment", SED), với quân số 675 người. Các kỹ thuật viên và thợ tay nghề cao nhập ngũ vào Lục quân được chỉ định vào SED. Một nguồn khác là các nữ binh đoàn của lục quân ("Women's Army Corps", WAC). Ban đầu được lập ra để dành cho các công việc văn phòng liên quan tới tài liệu mật, các WAC sớm mở rộng hoạt động sang các nhiệm vụ kĩ thuật và khoa học. Ngày 1 tháng 2 năm 1945, tất cả nhân lực thuộc quân đội chỉ định vào MED, bao gồm các phân đội SED, được tổ chức thành Đơn vị Nhiệm vụ Kĩ thuật 9812, trừ ở Los Alamos, nơi nhân lực không thuộc SED, bao gồm các WAC và cảnh sát vũ trang, được tổ chức vào Đơn vị Chỉ huy Nhiệm vụ 4817.
Một phó giáo sư khoa chiếu xạ tại trường Y của Đại học Rochester, Stafford L. Warren, được bổ nhiệm làm đại tá trong Đoàn Quân y Lục quân Hoa Kỳ, và được bổ nhiệm làm chỉ huy Phân đội Quân y của MED và cố vấn y tế của Groves. Nhiệm vụ ban đầu của Warren là bố trí bệnh viện ở Oak Ridge, Richland và Los Alamos. Phân đội Quân y chịu trách nhiệm về nghiên cứu y học và cả các chương trình sức khỏe và an toàn cho MED. Điều này dẫn đến một thách thức to lớn, bởi vì những người công nhân phải làm việc với nhiều loại hóa chất độc khác nhau, sử dụng các chất lỏng và khí nguy hiểm dưới áp suất cao, làm việc với điện cao áp, và tiến hành thí nghiệm liên quan tới thuốc nổ, chưa kể những nguy hiểm còn chưa biết tới do phóng xạ và xử lý nguyên liệu phân hạch. Nỗ lực của họ dẫn đến dự án nhận được Huy chương Danh dự cho Nhiệm vụ An toàn xuất sắc từ Hội đồng An toàn Quốc gia tháng 12 năm 1945. Giữa tháng 1 năm 1943 và tháng 6 năm 1945, có khoảng 62 ca tử vong và 387 ca thương tật, thấp hơn khoảng 62% so với tỉ lệ trung bình trong công nghiệp tư nhân.
Giữ bí mật.
Một bài trên tạp chí Life năm 1945 ước tính rằng trước các vụ ném bom Hiroshima và Nagasaki "chắc hẳn chỉ có hơn vài tá người trên toàn đất nước hiểu đầy đủ ý nghĩa của Dự án Manhattan, và thậm chí có lẽ chỉ khoảng hơn 1 nghìn người khác biết rằng công trình họ làm liên quan tới nguyên tử." Tạp chí viết rằng hơn 100 nghìn người khác tham gia vào dự án "làm việc như chuột trũi trong bóng tối". Bị đe dọa phạt 10 năm tù hoặc 10 nghìn đô la ( đô la năm ), họ chứng kiến những lượng nguyên liệu thô khổng lồ đi vào các nhà máy mà không thấy thứ gì đi ra, và điều khiển "những nút số và cần gạt trong khi đằng sau những bức tường bê tông dày những phản ứng bí ẩn xảy ra" mà không biết mục đích của công việc là gì.
Tất cả mọi người, kể cả các sĩ quan cấp cao, và ô tô của họ được giám sát khi đi vào và đi ra các cơ sở dự án. Một công nhân Oak Ridge khẳng định rằng "nếu bạn tỏ ra tò mò, trong vòng hai tiếng đồng hồ bạn sẽ bị các đặc vụ chính phủ triệu tập để nói chuyện. Thông thường những người bị triệu tập tới giải thích sau đó bị dẫn giải cùng hành lý ra phía cổng và nhận lệnh rời khỏi khu vực." Tuy nhiên, mặc dù được tuyên truyền rằng công việc của họ có thể giúp kết thúc chiến tranh và có lẽ mọi cuộc chiến tranh trong tương lai, việc không nhìn thấy hay không hiểu kết quả những nhiệm vụ thường là tẻ nhạt của họ-hoặc ngay cả những hiệu ứng phụ của công việc như khói từ các ống khói-và việc chiến tranh ở châu Âu kết thúc mà công việc của họ không đóng vai trò gì, gây nên những vấn đề tinh thần nghiêm trọng ở các công nhân và khiến cho nhiều tin đồn lan ra. Một quản đốc khẳng định sau cuộc chiến:"Thực ra không phải là công việc nặng nhọc ... mà là nó rất khó hiểu. Anh thấy đấy, không ai biết cái gì đang được sản xuất ở Oak Ridge, ngay cả tôi, và rất nhiều người nghĩ rằng họ đang lãng phí thời gian ở đây. Tôi có trách nhiệm phải giải thích cho những công nhân không bằng lòng rằng họ đang làm một việc hết sức quan trọng. Nhưng khi họ hỏi đó là gì, tôi buộc phải nói đó là bí mật. Nhưng thực ra chính tôi cũng phát điên lên vì cố đoán xem cái gì đang diễn ra."Một công nhân khác kể về khi làm việc trong một tiệm giặt, hằng ngày cô phải giữ "một thiết bị đặc biệt" để đồng bộ và lắng nghe một tiếng click. Chỉ sau chiến tranh cô mới biết rằng khi đó cô đang làm một việc quan trọng là kiểm tra phóng xạ với một máy đếm Geiger. Để nâng cao tinh thần cho công nhân, ban quản lý Oak Ridge tạo ra một hệ thống các giải thể thao nội bộ tốn kém, bao gồm 10 đội bóng chày, 81 đội bóng mềm, và bóng bầu dục.
Kiểm duyệt thông tin.
Việc kiểm duyệt tự nguyện về thông tin nguyên tử bắt đầu trước cả Dự án Manhattan. Sau khi chiến tranh châu Âu bùng nổ năm 1939 các nhà khoa học bắt đầu tránh công bố các nghiên cứu liên quan tới quân sự, và năm 1940 các tạp chí khoa học bắt đầu yêu cầu Viện hàn lâm Khoa học quốc gia Hoa Kỳ xóa các bài báo. William L. Laurence của tờ The New York Times, người viết một bài cho The Saturday Evening Post tháng 9 năm 1940 về phân hạch nguyên tử, về sau mới biết rằng các viên chức chính phủ yêu cầu các thư viện trên toàn quốc rút bỏ số báo đó. Tuy nhiên chính hành động giữ im lặng khiến cho người Liên Xô cảm thấy có gì đó đang ngấm ngầm diễn ra, và tháng 4 năm 1942 nhà khoa học hạt nhân Georgy Flyorov viết thư cho Stalin tường trình sự vắng bóng những bài báo về phân hạch hạt nhân trên các tạp chí Mỹ; điều này dẫn tới việc Liên Xô khởi động dự án bom nguyên tử của riêng mình.
Dự án Manhattan tiến hành dưới hệ thống an ninh nghiêm ngặt để tránh những phát hiện của nó khuyến khích các cường quốc phe Trục, đặc biệt là Đức, tăng tốc các dự án của chính họ hoặc tiến hành các chiến dịch phá hoại ngầm. Văn phòng Kiểm duyệt của chính phủ, ngược lại, trông đợi báo chí tuân thủ một điều luật quản lý tự nguyện do văn phòng ban hành, và vì thế ban đầu dự án tránh thông báo với văn phòng. Đến đầu năm 1943 các tờ báo bắt đầu tường thuật về việc xây dựng đại quy mô tại Tennessee và Washington dựa trên các ghi chép công khai, và văn phòng bắt đầu thảo luận với dự án về cách duy trì bí mật. Tháng 6 Văn phòng Kiểm duyệt yêu cầu các từ báo và hãng truyền thông tránh thảo luận về "va chạm nguyên tử, năng lượng nguyên tử, phân hạch nguyên tử, phân tách nguyên tử, hoặc bất cứ thuật ngữ tương đương nào; cùng với việc sử dụng radium hoặc các vật liệu phóng xạ, nước nặng, thiết bị phát điện cao thế, cyclotron cho mục đích quân sự." Văn phòng cũng yêu cầu tránh thảo luận về "poloni, urani, ytterbi, hafni, protactini, radi, rheni, thori, deuteri"; thực ra chỉ urani là nhạy cảm, nhưng nó được liệt kê cùng với các nguyên tố khác để giấu đi tầm quan trọng.
Điệp viên Liên Xô.
Nguy cơ phá hoại là luôn hiện hữu, và đôi khi bị nghi ngờ là nguyên nhân của một số hư hỏng thiết bị. Trong khi có một số vấn đề được cho là kết quả của những nhân viên thiếu cẩn thận hoặc cáu kỉnh, không có trường hợp nào được xác định chính xác là phá hoại của phe Trục. Tuy nhiên, ngày 10 tháng 3 năm 1945, một khí cầu lửa của Nhật tấn công một đường dây điện, gây nên chập điện diện rộng buộc ba lò phản ứng ở Handford phải tạm thời tắt. Vì có quá nhiều người tham gia, việc bảo đảm an ninh là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn. Một phân đội thuộc Cục Phản gián được thành lập để đảm trách các vấn đề an ninh của dự án.
Năm 1942, một nhà khoa học Liên Xô tên là Georgy Flyorov đã cảnh báo Iosif Vissarionovich Stalin rằng trong vòng 2 năm, Hoa Kỳ đã không hề đả động một từ nào về phân hạch hạt nhân. Lý do duy nhất, theo giải thích của ông, là Hoa Kỳ đang chế tạo bom hạt nhân. Nhà khoa học Flyorov cảnh báo "sẽ không có thời gian để quyết định ai có tội khi chúng ta bỏ bê công việc này ở Liên Xô". Vì vậy, kế hoạch do thám của Liên Xô bắt đầu.
Tới năm 1943, người ta nhận thấy Liên Xô đang tìm cách thâm nhập dự án. Trung tá Boris T. Pash, chỉ huy Phân nhánh Phản gián của Bộ Tư lệnh Phòng thủ Miền Tây, điều tra một vụ nghi ngờ gián điệp Xô-viết ở Phòng thí nghiệm Phóng xạ ở Berkeley. Oppenheimer thông báo cho Pash rằng một giáo sư ở Berkeley, Haakon Chevalier, đã tiếp cận ông về việc trao đổi thông tin với Liên Xô.
Gián điệp Xô-viết thành công nhất là Klaus Fuchs, một thành viên của Phái đoàn Anh đóng một vai trò quan trọng ở Los Alamos, ông đã truyền đạt lại tất cả những gì biết được ở phòng thí nghiệm này cho KGB. Sự khám phá ra hành vi gián điệp của Fuchs đã phá hủy sự hợp tác hạt nhân của Hoa Kỳ với Anh và Canada. Về sau, những trường hợp gián điệp khác bị phát hiện, dẫn tới sự bắt giam và kết án Harry Gold, David Greenglass và vợ chồng Rosenberg. Những điệp viên khác như George Koval và Theodore Hall chỉ bị khám phá sau hàng thập kỉ. Giá trị của các thông tin các điệp viên nguyên tử nắm được khó mà định lượng, vì giới hạn chính cho dự án nguyên tử của Liên Xô thực ra là thiếu thốn quặng urani hơn là kĩ thuật. Nhìn chung có sự đồng tình trong giới học giả rằng tình báo đã tiết kiệm cho Liên Xô một hoặc hai năm xây dựng bom nguyên tử.
Sứ mệnh tình báo ở nước ngoài.
Bên cạnh việc phát triển bom nguyên tử, Dự án Manhattan cũng chịu trách nhiệm thu thập tin tình báo về các chương trình phát triển hạt nhân của phe Trục. Về chương trình nguyên tử của Nhật, người ta tin rằng Nhật không có mấy tiến bộ lắm vì không có khả năng tiếp cận các mỏ urani, nhưng về phần Đức ban đầu Hoa Kỳ lo sợ Đức đã rất gần với việc chế tạo vũ khí nguyên tử của riêng mình. Dưới sự hối thúc của dự án Manhattan, một chiến dịch ném bom và phá hoại được tiến hành nhắm vào các nhà máy nước nặng ở Na Uy bị Đức chiếm đóng. Một điệp vụ nhỏ được tạo ra, kết hợp lực lượng của Văn phòng Tình báo Hải quân, OSRD, Dự án Manhattan và Tình báo Lục quân (G-2) để điều tra sự phát triển khoa học của đối phương. Nó không chỉ hạn chế trong các hoạt động liên quan tới vũ khí hạt nhân. Tư lệnh Tình báo Lục quân, Thiếu tướng George V. Strong, bổ nhiệm Boris Pash chỉ huy đơn vị này, lấy mật danh là "Alsos", một từ Hy Lạp để chỉ "bụi cây".
Điệp vụ Alsos được triển khai tại Ý đã thẩm vấn nhân viên của phòng thí nghiệm vật lý ở Đại học Roma sau khi quân Đồng minh chiếm thành phố này tháng 6 năm 1944. Trong khi đó Pash lập nên một đơn vị hỗn hợp Mỹ-Anh ở Luân Đôn dưới quyền chỉ huy của Đại úy Horace K. Calvert để tham gia vào Chiến dịch Overlord. Groves xét thấy nguy cơ người Đức có thể bẻ gãy cuộc đổ bộ Normandie bằng chất độc phóng xạ đủ để cần phải cảnh báo Đại tướng Dwight D. Eisenhower và gửi một sĩ quan tới giao hồ sơ cho tham mưu của Eisenhower, Trung tướng Walter Bedell Smith. Dưới mật danh Chiến dịch Peppermint, các thiết bị chống vũ khí phóng xạ được chuẩn bị và các đội chống vũ khi hóa học được huấn luyện để đề phòng tình huống trên.
Theo sau quân đội Đồng minh đang thắng thế, Pash và Calvert phỏng vấn Frédéric Joliot-Curie về hoạt động của các nhà khoa học Đức. Họ nói với các viên chức tại công ty khai thác mỏ tại Công thuộc Bỉ về lượng urani đã chuyển tới Đức. Họ lần dấu vết của 68 tấn quặng ở Bỉ và 30 tấn ở Pháp. Việc thẩm vấn các tù nhân Đức sau đó chỉ ra rằng urani và thorium được xử lý ở Oranienburg, 20 dặm về phía bắc Berlin, nên Groves đã sắp xếp cho quân đội ném bom vị trí này ngày 15 tháng 3 năm 1945.
Một đội Alsos được gửi tới Stassfurt thuộc vùng quân quản của Liên Xô và thu được 11 tấn quặng từ công ty WIFO của Quốc xã. Tháng 4 năm 1945, Pash chỉ huy một lực lượng hỗn hợp gọi là T-Force, tiến hành Chiến dịch Harborage, một đợt biệt kích phía sau lưng đối phương ở các thành phố Hechingen, Bisingen và Haigerloch nơi là trái tim của các cơ sở hạt nhân Đức. T-Force đánh úp các phòng thí nghiệm hạt nhân, thu giữ tài liệu, thiết bị và các nguồn cung cấp, bao gồm cả nước nặng và 1.5 tấn urani kim loại.
Các đội Alsos cũng tìm cách thu thập các nhà khoa học Đức bao gồm Kurt Diebner, Otto Hahn, Walther Gerlach, Werner Heisenberg và Carl Friedrich von Weizsäcker, những người bị đưa tới Anh nơi họ bị giam giữ tại Farm Hall, một ngôi nhà đặt máy nghe lén ở Godmanchester. Các thông tin trao đổi giữa các nhà khoa học Đức tại đây được lưu trữ và phân loại. Sau khi những quả bom phát nổ ở Nhật Bản, người Đức buộc phải đối mặt với sự thật rằng Đồng minh đã làm được điều họ chưa thể làm.
Vụ ném bom Hiroshima và Nagasaki.
Chuẩn bị.
Từ tháng 11 năm 1943, Bộ Tư lệnh Trang thiết bị Không quân tại Sân bay quân sự Wright, Ohio, bắt đầu Silverplate, mật danh của chương trình hiệu chỉnh máy bay B-29 để mang quả bom. Các đợt ném thử được tiến hành ở Sân bay Không quân Muroc và Bãi thử đạn Hải quân ở Inyokern, California. Groves gặp Tư lệnh Không lực Lục quân Hoa Kỳ ("United States Army Air Forces", gọi tắt USAAF) , Đại tướng Henry H. Arnold, tháng 3 năm 1944 để thảo luận về việc vận chuyển các quả bom đã hoàn thành tới mục tiêu. Loại máy bay Đồng minh duy nhất có thể vận chuyển Thin Man dài hoặc Fat Man rộng tới là chiếc Avro Lancaster của Không quân Hoàng gia Anh, nhưng việc sử dụng máy bay Anh có thể gây ra những khó khăn về bảo quản. Groves hy vọng rằng những chiếc Boeing B-29 Superfortress của Hoa Kỳ có thể hiệu chỉnh để mang Thin Man bằng cách nối hai khoang chứa bom của nó lại. Arnold hứa rằng sẽ dùng mọi nỗ lực để hoàn thành điều này, và chỉ định Thiếu tướng Oliver P. Echols làm sĩ quan liên lạc giữa USAAF và Dự án Manhattan. Đến lượt mình, Echols sắp xếp cho Đại tá Roscoe C. Wilson thay thế cho ông làm vị trí liên lạc với Dự án. Tổng thống Roosevelt chỉ đạo Groves rằng nếu bom nguyên tử sẵn sàng trước khi chiến tranh với người Đức kết thúc, ông này nên sẵn sàng để thả nó xuống Đức.
Phân đội Kết hợp 509 được khởi động ngày 17 tháng 12 năm 1944 tại Sân bay Quân sự Wendover, Utah, dưới sự chỉ huy của Đại tá Paul W. Tibbets. Căn cứ này, gần với biên giới Nevada, có mật danh là "Kingman" hay "W-47". Việc huấn luyện được thực hiện ở Wendover và ở Sân bay quân sự Batista, Cuba, nơi Phi đội Ném bom 339 thực tập chuyên bay đường dài trên biển, và ném những quả bom bí ngô giả. Một đơn vị đặc biệt có tên Alberta thành lập ở Los Alamos dưới quyền Đại úy William S. Parsons như một bộ phận của Dự án Manhattan để hỗ trợ việc chuẩn bị và vận chuyển các trái bom. Chỉ huy Frederick L. Ashworth từ Alberta gặp Đại đô đốc Chester W. Nimitz ở Guam tháng 2 năm 1945 để thông báo với ông về dự án. Trong thời gian ở đây, Ashworth chọn Sân bay Bắc trên đảo Tinian thuộc Thái Bình Dương làm căn cứ cho Nhóm Phối hợp 509, và dành trước không gian cho hoạt động và các công trình của nhóm. Nhóm nay được triển khai ở đây vào tháng 7 năm 1945. Farrell đến Tinian ngày 30 tháng 7 với tư cách đại diện của Dự án Manhattan.
Phần lớn thành phần lắp ráp cho Little Boy rời San Francisco trên tuần dương hạm ngày 16 tháng 7 và đến Tinian ngày 26 tháng 7. 4 ngày sau chiếc tàu này bị đánh chìm bời một tàu ngầm Nhật Bản. Các thành phần còn lại, bao gồm 6 vòng urani-235, được chuyển tới trên 3 chiếc C-54 Skymasters của Phân đội 509 thuộc Phi đội Vận chuyển quân 320. Hai quả Fat Man lắp ráp đưa tới Tinian trong những chiếc B-29 được hiệu chỉnh. Lõi plutoni đầu tiên vận chuyển trong một chiếc C-54 đặc biệt. Một ủy ban xác định mục tiêu hỗn hợp của Khu vực Manhattan và USAAF được thành lập để xác định những thành phố nào của Nhật Bản cần bị ném bom, và ủy ban này đề xuất Kokura, Hiroshima, Niigata và Kyoto. Khi đó, Bộ trưởng Chiến tranh Henry L. Stimson can thiệp, thông báo rằng ông sẽ đưa ra quyết định về việc chọn mục tiêu, và ông không bao giờ cho phép ném bom Kyoto do những giá trị lịch sử và tôn giáo của nó. Do đó Groves yêu cầu Arnold bỏ Kyoto khỏi cả danh sách ném bom hạt nhân lẫn ném bom thông thường. Một trong các lựa chọn thay thế Kyoto là Nagasaki.
Nỗ lực kêu gọi dừng ném bom.
Trước những diễn biến cuối chiến tranh, đặc biệt là sau khi Đức đầu hàng Đồng minh, một số nhà khoa học làm việc cho dự án Manhattan cảm thấy việc ném bom nguyên tử là không cần thiết. Một ủy ban do James Franck đứng đầu họp bí mật, soạn ra một bản báo cáo, tức Báo cáo Franck, do Eugene Rabinowitch chấp bút, nói về nguy cơ không tránh khỏi chạy đua vũ trang hạt nhân sau chiến tranh, bởi Hoa Kỳ không thể nào giữ mãi được các bí mật công nghệ.. Báo cáo yêu cầu không ném bom nguyên tử mà thay bằng một cuộc trình diễn công khai "vũ khí mới" với sự có mặt của đại diện tất cả các thành viên Liên Hợp Quốc tại một đảo hoang hoặc hoang mạc, để cảnh báo thế giới và khuyến khích kiểm soát vũ khí quốc tế. Một tùy chọn khác là tiếp tục giữ bí mật tối đa nhằm mua thêm cho Hoa Kỳ vài năm để vượt xa các quốc gia khác trong lĩnh vực phát triển vũ khí hạt nhân quy mô lớn khiến cho không quốc gia nào khác dám gây chiến trước vì sợ bị đáp trả có tính hủy diệt, duy trì hòa bình thế giới. Ngoài Franck và Rabinowitch, còn có Leó Szilárd, Donald J. Hughes, J. J. Nickson, Glenn T. Seaborg và J. C. Stearns cùng ký vào báo cáo. Franck đem bản báo cáo tới Washington ngày 12 tháng 6, nhưng đã bị Ủy ban Lâm thời bác bỏ.
Trong một nỗ lực muộn cuối cùng, Leó Szilárd cùng 69 nhà khoa học khác ký Thỉnh nguyện thư Szilárd lưu hành trong tháng 7 năm 1945, lặp lại kêu gọi không ném bom nguyên tử mà thay bằng trình diễn công khai, cảnh báo Tổng thống Truman về trách nhiệm của ông trong việc sử dụng vũ khí hủy diệt. Thỉnh nguyện không đến được tay Truman, và Leslie Groves sa thải hầu hết những người ký tên khỏi dự án, thậm chí tìm cách buộc tội Szilárd.
Tiến hành.
Tháng 5 năm 1945, Tổng thống Truman mới nhậm chức lập ra một Ủy ban Lâm thời cố vấn cho mình về việc sử dụng năng lượng trong chiến tranh và hậu chiến. Đứng đầu Ủy ban là Stimson, cùng với James F. Byrnes, một cựu thượng nghị sĩ sắp trở thành Ngoại trưởng, với tư cách phái viên của Tổng thống Harry S. Truman; Ralph A. Bard, Thứ trưởng Hải quân; William L. Clayton, Trợ lý Ngoại trưởng; Vannevar Bush; Karl T. Compton; James B. Conant; và George L. Harrison, một phụ tá của Stimson và là chủ tịch Công ty Bảo hiểm Nhân thọ New York. Đến lượt mình, Ủy ban Lâm thời lập ra cơ quan tư vấn khoa học bao gồm Arthur Compton, Fermi, Lawrence và Oppenheimer. Trong bài thuyết trình với Ủy ban Lâm thời, ban tư vấn cung cấp ý kiến không chỉ về hiệu ứng vật lý của quả bom, mà còn cả ảnh hưởng chính trị và quân sự của nó.
Tại Hội nghị Potsdam ở Đức, Truman được thông báo rằng vụ thử Trinity đã thành công. Ông úp mở với Joseph Stalin, lãnh tụ tối cao của Liên Xô, rằng Hoa Kỳ đã có một siêu vũ khí mới, mà không nói gì thêm. Đây là liên lạc chính thức đầu tiên với Liên Xô về quả bom, nhưng thực ra Stalin đã biết điều đó từ trước nhờ các điệp viên. Với sự chuẩn thuận ném bom chống lại Nhật Bản được đưa ra từ trước, người ta không xét đến một lựa chọn thay thế nào khác ngoài Nhật sau khi đế quốc này bác bỏ Tuyên bố Potsdam.
Ngày 6 tháng 8 năm 1945, chiếc pháo đài bay B-29 "Enola Gay" thuộc Phi đội Ném bom 393, do Tibbets lái và chỉ huy, cất cánh mang theo Little Boy và Parsons đóng vai trò triển khai bom. Hiroshima, một căn cứ quân sự và cảng tàu quan trọng của Nhật là mục tiêu chính của nhiệm vụ, và Kokura và Nagasaki là các lựa chọn thay thế. Được Farrell cho phép, Parsons hoàn thành việc lắp ráp bom trên không để giảm thiểu rủi ro trong lúc tăng độ cao sau cất cánh. Trái bom được kích nổ ở độ cao với sức nổ sau này được ước tính là tương đương với 13 nghìn tấn thuốc nổ TNT (13 kiloton). Một diện tích xấp xỉ bị hủy diệt hoàn toàn. Các viên chức Nhật ước tính rằng khoảng 69% nhà cửa của Hiroshima bị hủy diệt và khoảng 6-7% khác bị tổn hại. Khoảng từ 70 nghìn tới 80 nghìn người, tức chừng 30% dân số Hiroshima, bị giết ngay lập tức, và hơn 70 nghìn người khác bị thương.
Sáng ngày 9 tháng 8 năm 1945, chiếc B-29 "Bockscar", do chỉ huy Phi đội Ném bom 393, Thiếu tá Charles W. Sweeney lái, mang theo Fat Man cất cánh. Lần này, Ashworth đóng vai trò người triển khai bom và Kokura là mục tiêu chính. Sweeney cất cánh với vũ khí dược trang bị sẵn nhưng các chốt an toàn điện tử vẫn được gài. Khi họ tới Kokura, họ nhận thấy mây che phủ thành phố, ngăn cản ném bom có quan sát theo lệnh của cấp trên. Sau ba lần bay vòng quanh thành phố, trong khi nhiên liệu cạn đi nhiều, họ chuyển hướng tới mục tiêu thứ nhì, Nagasaki. Ashworth quyết định rằng nếu mục tiêu bị che khuất nữa họ sẽ tiếp cận bằng ra-đa, nhưng mây tách ra vào phút cuối trên bầu trời Nagasaki cho phép họ nhắm mục tiêu như mệnh lệnh. Fat Man được thả vào khu thung lũng công nhiệp của thành phố, giữa hãng Thép Mitsubishi và các Công xưởng Quân đội ở phía nam và Công xưởng Quân khí Mitsubishi-Urakami ở phía bắc. Vụ nổ có sức công phá tương đương 21 nghìn tấn TNT, tương đương với vụ nổ Trinity, nhưng giới hạn ở Thung lũng Urakami, và phần lớn thành phố được bảo vệ bởi các quả đồi ngăn cách. Khoảng 44% thành phố bị hủy diệt; 35 nghìn người bị giết và 60 nghìn bị thương.
Groves trông đợi các nhà máy sẽ có thêm một quả bom nữa sẵn sàng vào 19 tháng 8, ba quả nữa vào tháng 9 và ba quả khác vào tháng 10. 2 bộ linh kiện cho Fat Man đã sẵn sàng. Một lõi thứ ba được đặt lịch rời Sân bay Kirtland tới Tinian vào ngày 12 tháng 8. Robert Bacher đóng gói nó lại ở Nhà Băng tại Los Alamos khi ông nhận được tin rằng Nhật Bản đã bắt đầu thương lượng đầu hàng. Groves ra lệnh ngừng vận chuyển bom. Ngày 11 tháng 8, ông gọi điện cho Warren, ra lệnh tổ chức một đội khảo sát để báo cáo về sức tàn phá và phóng xạ ở Hiroshima và Nagasaki. Một nhóm trang bị máy đếm Geiger xách tay đến Hiroshima 8 tháng 9 dẫn đầu bởi Farrell và Warren, với Chuẩn đô đốc Nhật Masao Tsuzuki làm người phiên dịch. Họ ở lại Hiroshima tới ngày 14 và sau đó khảo sát Nagasaki từ 19 tháng 9 tới 8 tháng 10. Nhóm này cùng các đơn vị khoa học khác tới Nhật sau đó sẽ cũng cấp những dữ liệu khoa học và lịch sử quan trọng.
Tính cần thiết ném bom nguyên tử Hiroshima và Nagasaki đã trở thành một vấn đề gây tranh cãi kéo dài trong giới học giả và dư luận. Một số người đặt câu hỏi liệu một thứ "ngoại giao nguyên tử" (đe dọa thay vì ném thật) có đạt được cùng mục đích hay không và tranh cãi liệu các vụ ném bom hay là việc Liên Xô tuyên chiến với Nhật Bản đóng vai trò quan trọng hơn khiến cho Nhật Bản đầu hàng.
Sau chiến tranh.
Nhìn thấy công việc mà họ từng không hiểu trước kia thực sự tạo ra những quả bom nguyên tử ném xuống Nhật Bản khiến nhiều công nhân của dự án Manhattan hết sức ngỡ ngàng, không kém gì phần còn lại của thế giới; những tờ báo ở Oak Ridge thông báo vụ ném bom Hiroshima bán chạy với giá 1 đô la (tức đô la năm ). Trong lúc chuẩn bị ném bom, Groves cho Henry DeWolf Smyth chuẩn bị một tài liệu lịch sử cho công chúng. Tài liệu này, thường được biết đến dưới tên Báo cáo Smyth, có tên chính thức là "Năng lượng Nguyên tử cho Mục đích Quân sự", được phát hành rộng rãi vào 12 tháng 8 năm 1945. Groves và Nichols trao Huy chương "E" Hải-Lục quân ("E" là viết tắt của "Excellence") cho các nhà thầu chính mà trước đó việc họ tham gia vào dự án là bí mật. Trên 20 Huy chương Công trạng Tổng thống (vinh dự dân sự cao nhất bấy giờ) được trao cho các nhà thầu và nhà khoa học chủ chốt, bao gồm Bush và Oppenheimer. Các viên chức quân sự nhận huy chương "Legion of Merit", bao gồm chỉ huy phân đội nữ binh, Đại úy Arlene G. Scheidenhelm.
Tại Hanford, việc sản xuất plutoni đình trệ do các Lò phản ứng B, D và F kiệt quệ, nhiễm neutron từ các sản phẩm phân hạch và các chất điều hòa graphite nở ra theo Hiệu ứng Wigner. Việc nở phồng này làm tổn hại các ống tích điện nơi urani phát xạ để tạo plutoni, khiến cho chúng trở nên vô dụng. Để duy trì nguồn cung cho các bộ khởi động cầu gai, việc sản xuất bị rút bớt và đơn vị cũ nhất, cột B, bị đóng cửa để ít nhất một lò phản ứng có thể sử dụng trong tương lai. Việc nghiên cứu tiếp tục, với DuPont và Phòng thí nghiệm Luyện kim phát triển một quá trình tách dung môi oxy hóa-khử như một kĩ thuật tách plutoni thay thế cho quá trình bismuth phosphate vốn để lại urani không dùng tới trong một trạng thái khó khôi phục.
Việc nghiên cứu chế tạo bom được tiến hành bởi phân khu Z, đặt tên theo giám đốc của nó là tiến sĩ Jerrold R. Zacharias từ Los Alamos. Phân khu Z ban đầu đặt ở Sân bay Wendover nhưng về sau dời tới Sân bay Oxnard, New Mexico vào tháng 9 năm 1945 để gần Los Alamos hơn, đánh dấu sự hình thành Căn cứ Sandia. Gần đó, Sân bay Kirtland được sử dụng làm căn cứ B-29 để kiểm tra việc thả bom và tính tương thích máy bay. Đến tháng 10, tất cả nhân viên và thiết bị ở Wendover được chuyển tới Sandia. Khi các sĩ quan dự bị giải ngũ, khoảng 50 sĩ quan thường trực lấp vào chỗ trống.
Nichols đề xuất rằng các đường S-50 và Alpha ở Y-12 cần phải đóng cửa, và điều này diễn ra vào tháng 9. Mặc dù vận hành tốt hơn bao giờ hết, các đường Alpha không thể nào cạnh tranh với K-25 và mới hơn là K-27 mới bắt đầu vận hành từ tháng 1 năm 1946. Tháng 12, nhà máy Y-12 đóng cửa, giảm danh sách bảng lương ở Tennessee Eastman từ 8600 xuống 1500 người và tiết kiệm 2 triệu đô la mỗi tháng.
Không ở đâu việc giải ngũ gây đau đầu như ở Los Alamos, nơi nhiều tài năng bỏ đi trong khi nhiều vấn đề còn đó. Những quả bom ở Hirsoshima như những miếng ghép từ phòng thí nghiệm; cần nhiều công sức để chúng an toàn hơn, đơn giản hơn và đáng tin cậy hơn. Các thiết bị nổ sập cần phát triển cho urani thay cho phương pháp dạng súng lãng phí, và nhân kết hợp urani-plutoni cần thiết bởi vì nguồn cung plutoni bị thiếu do vấn đề lò phản ứng. Tuy nhiên, tương lai bất định của phòng thí nghiệm khiến khó mà thu hút người ta ở lại, chưa kể một số người phản đối sử dụng bom hạt nhân như vũ khí hủy diệt. Oppenheimer quay lại công việc ở Đại học California và Groves bổ nhiệm Norris Bradburry làm người thay thế tạm quyền. Trên thực tế, Bradbury giữ vị trí này trong suốt 25 năm sau đó. Groves tìm cách với đối phó với sự bất mãn về tiện nghi thiếu thốn bằng một chương trình xây dựng bao gồm nguồn cấp nước cải tiến, ba trăm ngôi nhà, và các cơ sở giải trí.
Hai vụ kích hoạt Fat Man được tiến hành ở Đảo san hô vòng Bikini vào tháng 7 năm 1946 như một phần của Chiến dịch Crossroads nhằm xem xét ảnh hưởng của vũ khí hạt nhân đối với tàu chiến. Quả bom Able được kích hoạt vào ngày 1 tháng 7 năm 1946, trong khi Baker với kết quả thành công hơn được kích hoạt dưới mặt nước vào ngày 25 tháng 7.
Sau các vụ ném bom ở Hiroshima và Nagasaki, một số những nhà vật lý thuộc Dự án Manhattan lập nên "Tập san các nhà khoa học nguyên tử", một ấn bản xuất hiện như một biện pháp khẩn cấp để tạo nên một chương trình giáo dục tức thời về vũ khí hạt nhân, sau này trở thành một tạp chí cổ vũ cho việc kiểm soát vũ khí hạt nhân quốc tế. Đối mặt trước sức hủy diệt của loại vũ khí mới và tiên liệu về chạy đua vũ trang hạt nhân một số thành viên dự án bao gồm Bohr, Bush và Conant bày tỏ quan điểm cần thiết phải đạt thỏa thuận quốc tế về kiểm soát nghiên cứu hạt nhân và chế tạo vũ khí hạt nhân. Kế hoạch Baruch, tiết lộ trong một diễn văn tại Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Liên Hợp Quốc mới thành lập vào tháng 6 năm 1946, đề xuất thành lập một thể chế phát triển năng lượng nguyên tử quốc tế, nhưng không được chấp nhận.
Theo sau một cuộc tranh cãi trong nước về việc quản lý chương trình hạt nhân, Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Hoa Kỳ (AEC) được tạo ra theo Đạo luật Năng lượng Nguyên tử năm 1946 để nắm quyền kiểm soát việc vận hành và các tài sản của Dự án Manhattan. Nó thiết lập quyền kiểm soát dân sự lên việc phát triển nguyên tử, và tách rời việc phát triển, sản xuất và kiểm soát vũ khí nguyên tử khỏi quân đội. Các khía cạnh quân sự của dự án được trao cho Dự án Vũ khí Đặc biệt Các lực lượng Vũ trang (AFSWP). Mặc dù dự án Manhattan ngừng tồn tại vào ngày 31 tháng 12 năm 1946, Khu vực Công trình Manhattan vẫn còn hoạt động cho tới khi bị giải thể vào ngày 15 tháng 8 năm 1947.
Chi phí.
Chi tiêu của dự án tới ngày 1 tháng 10 năm 1945 là 1,845 tỷ đô la, tương đương với 9 ngày chi tiêu thời chiến với tốc độ chi tiêu vào tháng 8 năm 1945 của Hoa Kỳ, và đạt 2,191 tỉ khi AEC nắm quyền vào 1 tháng 1 năm 1947. Tổng ngân sách phân bổ là 2,4 tỷ đô la. Trên 90% chi phí trên là dành cho xây dựng các nhà máy và sản xuất vật liệu phân hạch, chỉ dưới 10% là cho phát triển và sản xuất vũ khí.
Với tổng cộng bốn thiết bị vũ khí được sản xuất tính đến cuối năm 1945(thiết bị Trinity, Little Boy, Fat Man, và một quả bom chưa sử dụng), giá trung bình cho mỗi quả bom lên tới 500 triệu đô la giá đương thời. Để so sánh, tổng chi phí dự án tính đến cuối năm 1945 bằng khoảng 90% chi phí sản xuất các loại vũ khí cỡ nhỏ của Hoa Kỳ (không tính đạn dược) và 34% tổng chi phí vào xe tăng cùng giai đoạn đó.
Di sản.
Ảnh hưởng chính trị và văn hóa của việc phát triển vũ khí hạt nhân hết sức sâu rộng. William Laurence của tờ New York Times, người đầu tiên sử dụng thuật ngữ "Kỷ nguyên Nguyên tử", đã trở thành thông tín viên chính thức cho dự án Manhattan vào tháng 6 năm 1945. Được phép chứng kiến vụ thử Trinity và vụ ném bom Nagasaki, Laurence viết bài tường thuật cho các sự kiện này và sau đó viết một loạt báo bàn về tính chất tiềm năng của vũ khí hạt nhân dẫn đến nhận thức công chúng rộng rãi về loại vũ khí mới này.
Dự án Manhattan thời chiến để lại một di sản dưới dạng một mạng lưới những phòng thí nghiệm quốc gia: Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Phòng thí nghiệm Ames. Hai phòng thí nghiệm khác được Groves lập ra sau cuộc chiến, Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở Upton, New York và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia ở Albuquerque, New Mexico. Groves dành 72 triệu đô la cho các phòng thí nghiệm này cho các hoạt động nghiên cứu trong năm tài khóa 1946-1947. Chúng sẽ là đội tiên phong cho loại dự án đại quy mô mà Alvin Weinberg, giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, sau này gọi là "Khoa học Lớn" ("Big Science").
Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân từ lâu đã quan tâm tới triển vọng sử dụng năng lượng hạt nhân làm động cơ chiến hạm, và tìm cách tạo ra dự án hạt nhân của riêng mình. Tháng 5 năm 1946, Nimitz, bấy giờ đã thăng chức Tham mưu trưởng Hải quân, quyết định rằng hải quân nên làm việc cùng với dự án Manhattan. Một nhóm sĩ quan hải quân được chỉ định tới Oak Ridge, trong đó cấp cao nhất là Đại tá hải quân Hyman G. Rickover, người trở thành trợ lý giám đốc ở đây. Họ tiến hành nghiên cứu năng lượng hạt nhân, dựng nên nền tảng của một nền hải quân bằng năng lượng hạt nhân. Một nhóm tương tự của Không quân đến Oak Ridge vào tháng 9 năm 1946 với mục tiêu phát triển chiến đấu cơ hạt nhân. Dự án Năng lượng Nguyên tử cho Động cơ Máy bay (NEPA) mắc những khó khăn kĩ thuật gai góc và cuối cùng bị hủy bỏ.
Năng lực của các lò phản ứng mới tạo ra những đồng vị phóng xạ với số lượng chưa từng thấy trước đó tạo nên một cuộc cách mạng trong y học hạt nhân trong những năm đầu hậu chiến. Bắt đầu từ năm 1946, Oak Ridge bắt đầu phân phối các đồng vị phóng xạ tới các bệnh viện và trường đại học. Hầu hết đơn hàng là iôt 131 và phôtpho 32 dùng trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Ngoài y học, đồng vị cũng dùng trong nghiên cứu sinh học, công nghiệp và nông nghiệp. Các nghiên cứu của Dự án cũng dẫn tới các phát minh, cải tiến kỹ thuật không ngờ tới trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như việc phát triển máy tính điện tử.
Khi trao quyền kiểm soát lại cho Ủy ban Năng lượng Nguyên tử, Groves gửi lời tạm biệt các đồng sự trong dự án:
"5 năm trước, ý tưởng về Năng lượng Nguyên tử chỉ là một giấc mơ. Các bạn đã biến giấc mơ đó thành hiện thực. Các bạn đã nắm lấy những ý tưởng mờ mịt nhất và diễn giải chúng thành điều kiện thực tế. Các bạn đã xây nên những thành phố chưa ai từng biết đến trước kia. Các bạn đã xây dựng những nhà máy công nghiệp với quy mô và độ chính xác mà trước đây dường như bất khả thi. Các bạn đã xây dựng thứ vũ khí chấm dứt Chiến tranh và do đó cứu vô số sinh mạng người Mỹ. Xét tới những ứng dụng thời bình, các bạn đã vén lên bức màn về những viễn cảnh cho một thế giới mới."
Tham khảo.
Lịch sử tổng quát, hành chính và ngoại giao liên quan tới dự án
Lịch sử kỹ thuật
Hồi ký những người tham gia