✨Dự án Manhattan
Dự án Manhattan () 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. 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.
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.
Quan niệm thiết kế bom
thumb|upright|Các phương pháp lắp ráp bom phân hạch khác nhau được khám phá trong hội nghị tháng 7 năm 1942. Bản vẽ của [[Robert Serber.]] 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 & 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..
thumb|left|398x398px|Sơ đồ Tổ chức Dự án Manhattan, 1 tháng 5 năm 1946 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".
Ủy ban Chính sách Quân sự
thumb|upright|[[J. Robert Oppenheimer và Leslie Groves thăm tàn tích Vụ thử Trinity vào tháng 9 năm 1945. Những chiếc giày bao màu trắng ngăn cản họ đeo là để tránh chất phóng xạ dính vào giày của họ.]] 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., 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. 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.
thumb|left|Groves hội đàm với [[James Chadwick, người đứng đầu Phái đoàn Anh]] 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
circle 50 280 20 Berkeley, California circle 140 400 20 Inyokern, California circle 170 100 20 Richland, Washington circle 220 20 20 Trail, British Columbia circle 230 270 20 Wendover, Utah circle 290 360 20 Monticello, Utah circle 320 360 20 Uravan, Colorado circle 340 440 20 Los Alamos, New Mexico circle 340 500 20 Alamogordo, New Mexico circle 610 290 20 Ames, Iowa circle 660 400 20 St Louis, Missouri circle 710 310 20 Chicago, Illinois circle 730 370 20 Dana, Indiana circle 800 350 20 Dayton, Ohio circle 760 540 20 Sylacauga, Alabama circle 890 390 20 Morgantown, West Virginia circle 800 460 20 Oak Ridge, Tennessee circle 910 160 20 Phòng thí nghiệm Chalk River circle 920 260 20 Rochester, New York circle 950 360 20 Washington, D.C. desc none
thumb|Các nhà vật lý tại một hội thảo do Dự án Manhattan tài trợ ở Los Alamos năm 1946. Hàng đầu từ trái sang là [[Norris Bradbury, John Manley, Enrico Fermi và J. M. B. Kellogg. Robert Oppenheimer, mặc áo choàng tối màu, ở phía sau Manley; phía trái Oppenheimer là Richard Feynman.]] 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 . 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. 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.
thumb|Các công nhân ở Hanford lĩnh tiền công tại văn phòng Công đoàn Miền Tây. 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". 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. 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. 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 & 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.]] 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.
thumb|Nhà máy K-25 ở Oak Ridge 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.
thumb|Nhà máy S-50 là tòa nhà tối màu nằm ở bên trái phía trên đằng sau nhà máy điện Oak Ridgee (có ống khói). 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.
Lò phản ứng Than chì X-10
thumb|Các công nhân đưa các thanh urani vào 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.
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.
thumb|Khung cảnh địa điểm Lò phản ứng B ở Hanford từ trên cao, tháng 6 năm 1944 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
thumb|upright|Bản đồ Địa điểm Hanford. Các tuyến đường sắt đi vòng qua sườn các nhà máy tới hướng nam và bắc. Các lò phản ứng là ba ô vuông màu đỏ ở cao nhất phía bắc, trên bờ sông Columbia. Các nhà máy phân tách là hai ô vuông màu đỏ thấp hơn phía nam. Các ô vuông cuối phía dưới là khu vực 300. 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%. 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.
thumb|Kéo một nguồn phóng xạ lanthanum kilocurie cho thí nghiệm RaLa ở Los Alamos 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".
left|thumb|Chất nổ cho "thiết bị" được nâng lên đỉnh của ngọn tháp dựng cho khâu lắp ráp cuối cùng 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 & 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.
thumb|Thiếu tướng Leslie R. Groves nói chuyện với công nhân tại Oak Ridge tháng 8 năm 1945. 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 ng