曼哈頓計畫
研發出人類史上首枚原子彈的軍事計劃 / 維基百科，自由的 encyclopedia
曼哈頓計畫（英語：Manhattan Project）是第二次世界大戰期間研發出人類首枚核子武器的一項軍事計畫，由美國主導，英國和加拿大協助進行。1942年至1946年間，曼哈頓計畫由美國陸軍工程兵團少將萊斯利·格羅夫斯領導，設計製造原子彈的洛斯阿拉莫斯實驗室則由核物理學家羅伯特·歐本海默負責。陸軍對軍事行動的慣例是用總部所在地命名，因而計畫中陸軍負責的部分稱曼哈頓區。不過後來「曼哈頓」一名逐漸取代了原有的官方計畫代號代用材料項目發展（Development of Substitute Materials），成為對整個計畫的稱呼。該計畫在發展過程中逐漸吸取融合了英國在合金管工程中的發現。曼哈頓計畫在1939年便已小規模進行，後來規模愈來越大，總共雇有13萬餘人，花費22億美金（折合2020年的254億美元[1]），其中逾九成是花在了建造工廠、生產可分裂物質上，只有不到一成用在武器研發生產上。研發工作和生產工程分散在美國、英國、加拿大三國30多個不同的地點。
| 曼哈頓計畫 | |
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| Manhattan Project | |
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| 存在時期 | 1942年－1946年 |
| 國家或地區 |
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| 部門 |  美國陸軍 |
| 規模 | 最高有129,000人參與 |
| 直屬 | 美國陸軍工程兵團 |
| 駐軍／總部 |  美國田納西州橡樹嶺 |
| 參與戰役 | |
| 紀念日 | 1942年8月13日 |
| 指揮官 | |
| 著名指揮官 | |
| 標識 | |
| 曼哈頓工程區臂章 |  |
| 曼哈頓計畫徽章 （非官方） |  |
戰爭期間，曼哈頓計畫共研究出兩種不同設計的原子彈：一種是較為簡單的槍式，另一種是結構複雜的內爆式。其中，槍式設計促就了後來的「小男孩」，其彈芯用的是鈾的同位素鈾-235，這種同位素的天然豐度只有0.7%，需要從自然界中更為豐沛的同位素鈾-238中分離出來。不過，兩種同位素化學性質完全相同，原子質量接近，分離元素的工作阻礙重重。最後，計劃採用三種不同的方法來濃縮鈾——電磁分離法、氣體擴散法和熱泳法，絕大部分工序在美國田納西州橡樹嶺的柯林頓工程師工程進行。科學家還嘗試過將鈽填入槍式原子彈中（「瘦子」），但未能成功。
內爆式武器中使用的是鈽元素，由核子反應爐增殖而來。1942年，在芝加哥大學冶金實驗室，人類歷史上首座人工核子反應爐芝加哥1號堆成功實現自持反應。隨後，曼哈頓計畫在橡樹嶺修建了試驗核子反應爐X-10石墨反應爐，又在華盛頓州的漢福德區修築了若干增殖核子反應爐，可將輻照過的鈾通過核轉換轉化為鈽；產出的鈽再經化學方法（磷酸鉍處理法）從鈾中分離出來，最終裝填入彈芯，成為後來的「胖子」。1945年的三位一體核試驗中，人類引爆的首枚核彈「小工具」即是內爆式核子武器。
曼哈頓計畫還負責收集德國核子武器開發計畫的情報。阿爾索斯任務中，曼哈頓計畫的眼線遍布歐洲，有些甚至深入敵後，收集核分裂材料和機密文件、拘捕德國科學家。雖然曼哈頓計畫保密工作十分嚴格，有許多內部人員甚至都不清楚自己工作的意義何在，不過還是有蘇聯的原子間諜滲入其中、竊取情報。
1945年8月，美軍派出B-29轟炸機飛往日本，其中飛行員、投彈手和技術人員均由曼哈頓計畫人員擔任。機組在廣島、長崎分別擲下「小男孩」和「胖子」，造成10餘萬人死亡、建築大範圍損毀。戰後，美軍執行十字路口行動，在比基尼環礁進行了數次核試驗。曼哈頓計畫中的科研機構演變為後來的美國國家實驗室體系，其科研成果也被用來發展核子動力海軍與用於醫學。1947年，美國原子能委員會成立並接管美國的核子武器研究生產項目，曼哈頓計畫正式停止。
1938年，德國化學家奧托·哈恩和弗瑞慈·施特拉斯曼共同發現了核分裂現象，不久後莉澤·邁特納與奧托·弗里施又洞曉了其背後的理論原理，使得核子武器的開發有了理論依據。當時人們很擔心德國會率先造出原子彈，從納粹德國等法西斯國家流亡的科學家對此更是恐慌不已。[2]1939年8月，匈牙利裔物理學家利奧·西拉德和尤金·維格納共同起草愛因斯坦-西拉德信，警告有人可能要研發一種「極為強力的新型炸彈」。信中還強烈建議美國政府大量囤積鈾礦，督促恩里科·費米等學者進行核連鎖反應的有關研究。信件由艾伯特·愛因斯坦落款署名，遞送至時任美國總統富蘭克林·德拉諾·羅斯福的手中。羅斯福命國家標準局局長萊曼·布里格斯組建鈾顧問團，詳議愛因斯坦-西拉德信提及的問題。布里格斯在1939年10月21日召開了一次會議，出席者有西拉德、維格納和愛德華·泰勒。該年11月，委員會回稟羅斯福稱，鈾「或可被製成炸彈，其破壞力將遠大於目前所知的任何武器」。[3]
美國海軍向哥倫比亞大學資助了6,000美金，費米和西拉德將這筆錢基本都花在了購置石墨上。二人聯手尤金·布思和約翰·鄧寧等哥倫比亞大學教授實現了美國首個核分裂反應，驗證了哈恩和施特拉斯曼的發現。他們隨後又陸陸續續在哥倫比亞大學卜平樓製造了一系列核子反應爐原型，但未能實現連鎖反應。[4]1940年6月27日，國防部科研委員會（NDRC）成立，主席萬尼瓦爾·布希立刻將鈾顧問團劃入NDRC，並改組為鈾委員會，直接對他負責。[5]布里格斯申請了167,000美元的經費用來研究鈾（尤其是同位素鈾-235）和1940年在加利福尼亞大學發現的鈽元素。[6][注 1]1941年6月28日，羅斯福簽署了第8807號總統令，成立了科學研究與開發辦公室（簡寫為OSRD），[9]繼續由萬尼瓦爾·布希擔任主管，NDRC併入其中。除了研究任務外，OSRD還獲准許參與大型工程項目。[6]鈾委員會從NDRC分離出來直屬OSRD，安全起見，「鈾」一字也被從委員會名稱中移除，改名成「S-1分部」。[10]
1939年6月，弗里施和魯道夫·佩爾斯在英國伯明罕大學對鈾-235的臨界質量研究取得了重大突破。[11]他們的計算顯示，鈾-235臨界質量的數量級在10公斤（22英磅）左右，可以搭載到轟炸機上。[12]1940年3月，他們寫下了《弗里施-佩爾斯備忘錄》，正式開展英國原子彈計畫，並成立穆德委員會。[13]委員會全體一致建議展開原子彈的相關研發工作。[12]該年7月，英國向美國公開了自己的科研成果，[14]蒂澤德任務（英語：Tizard Mission）的學者約翰·考克饒夫還向美國科學家通報了英國的研究進展。他留意到美國這邊的計畫規模不如英國那邊的大，進展也沒英國的快。[15]
在兩國科學交流期間，穆德委員會將自己的研究成果展示給了美國。不過，委員會成員、澳洲物理學家馬克·奧利芬特留意到穆德委員會的數據尚未轉交至美方重要物理學家的手中，於是他在1941年8月下旬訪美，調查穆德委員會的成果被忽視的原因，發現資料給到萬尼瓦爾·布希後，就被鎖到一邊了。奧利芬特和鈾委員會碰面後，又訪問了柏克萊，並說服了厄尼斯特·勞倫斯開始研究鈾。奧利芬特隨後又與詹姆士·科南特、亞瑟·康普頓和喬治·皮格勒姆（英語：George B. Pegram）等交流了意見。至此，他得到了自己想要的結果——美國的重要物理學家均已了解原子彈背後蘊藏的巨大潛力。[16][17]
1941年10月9日，羅斯福總統在與布希和副總統亨利·華萊士會面後批准了原子彈研究計畫。為掌控計畫進度，羅斯福設立了最高決策團（Top Policy Group），組員有他自己（雖然羅斯福從未與會）、華萊士、布希、科南特、戰爭部長亨利·史汀生和陸軍參謀長喬治·馬歇爾上將。羅斯福決定讓陸軍接手原子彈研究計畫，因為他認為在管理大型工程建設項目方面陸軍比海軍更有經驗。他亦准許英、美兩國相互合作，並在10月11日建議英國首相溫斯頓·邱吉爾就原子彈問題相互協商。[18]
S-1委員會在1941年12月18日舉行會議。前不久日本偷襲珍珠港導致美國對日本、德國和義大利宣戰，致使會議「充斥著熱情和緊張的氣氛」。[19][20]
隨後，技術人員兵分三路，用三種不同的同位素分離技術嘗試將鈾-235從自然界大量存在的鈾-238中分離出來：勞倫斯在加利福尼亞大學帶領團隊研究電磁型同位素分離法，哥倫比亞大學的埃格爾·默弗里（英語：Eger Murphree）和傑西·比姆斯（英語：Jesse Wakefield Beams）的團隊負責氣體擴散法，華盛頓卡內基研究所的菲利普·艾貝爾森（後轉戰海軍研究實驗室）則將研究重心放在熱泳法上。[21]默弗里還牽頭研究了氣體離心法，但未能成功。[22]與此同時，兩批科學家也在各自研究核子反應爐的有關原理。哈洛德·尤里在哥倫比亞大學繼續研究重水；亞瑟·康普頓則將他麾下的科學家從哥倫比亞大學、加州大學和普林斯頓大學聚集到了芝加哥大學，並在1942年組建冶金實驗室，研究鈽和將石墨用作中子減速劑的核子反應爐。[23]
1942年5月23日，布里格斯、康普頓、勞倫斯、默弗里和尤里在會議上敲定了S-1委員會的最終建議，決定同時對上文提到的五種核技術展開研究工作。這項提議獲布希、科南特和威廉·斯泰爾准將（布里恩·薩默維爾少將負責的物資供應局（英語：Services of Supply）的參謀長，時任陸軍核事務代表）的批准。[21]布希和科南特隨後將此意見呈報至最高決策團，申請5400萬美元用於美國陸軍工兵部隊的工程建設、3100萬美元用於OSRD的科研活動以及500萬美元作為1943財年的或有損失之用。最高決策團隨後在1942年將議案提交給羅斯福總統，羅斯福則大筆一揮簽下「OK FDR」批准了提案。[21][注 2]
格列哥里·布萊特曾負責主導研究快中子的有關參數，該議題對計算臨界質量和核子武器的引爆至關重要。1942年5月18日，布萊特因運作安保問題退出後，康普頓邀請加州大學理論物理學家羅伯特·歐本海默接手相關研究工作。[24]在曼哈頓計畫與美國全國各地物理實驗室磋商協調後，冶金實驗室科學家約翰·曼利（英語：John H. Manley）被安排到歐本海默手下當助手。[25]歐本海默和伊利諾大學的羅伯特·瑟伯爾共同探討了中子擴散問題（中子在核連鎖反應中如何移動）與流體動力學問題（連鎖反應製造的核爆炸會帶來怎樣的衝擊）。1942年6月，歐本海默同恩里科·費米在芝加哥大學會面，同年7月又在哥倫比亞大學再次會晤，分享對這些問題的見解，並進一步討論分裂反應的基礎理論。其他的列席者還有理論物理學家漢斯·貝特、約翰·范扶累克、泰勒、埃米爾·科諾賓斯基（英語：Emil Konopinski）、瑟伯爾、斯坦·法蘭克爾（英語：Stan Frankel）和埃爾德雷德·C·尼爾森（Eldred C. Nelson）, 其中後三者都曾是歐本海默的學生，以及實驗物理學家埃米利奧·塞戈雷、費利克斯·布洛赫、佛朗哥·拉塞蒂、曼利和艾德溫·麥克米倫。他們初步確認核分裂炸彈的構想在理論上可行。[26]
不過，整個計畫依然充滿著未知數。彼時人們尚不了解純鈾-235的性質，對格倫·西博格研究團隊1941年2月首次成功製取的鈽元素也知之甚少。1942年7月柏克萊的那次會議中，科學家曾提出讓鈾-235分裂產生的中子轟擊鈾-238，從而在核子反應爐中製造鈽。然而當時人們從未建造過核子反應爐，鈽也只有聖路易華盛頓大學等機構用迴旋加速器製備的很少一點而已。[27]截止到1943年12月，人們也僅僅造出了兩毫克的鈽。[28]核分裂原料有好幾種裝填成臨界質量的方式。最簡單的一種是將「柱形塞」打入一個充滿「活性材料」的球體，並佐以「填塞物」（tamper）——可以將中子聚集在內部、使核材料聚集在一處並讓核反應效率增加的緻密材料。[29]科學家們還對其他設計進行過探討。理查·托爾曼構想過一種用到類球面的「內爆式」設計草案。他們還考慮過利用自催化反應，在炸彈爆炸時可提升其反應速率。[30]
1942年，學者們在柏克萊又召開了一次核子武器研討會議。鑑於核分裂炸彈的理論探討告一段落，科學家將注意力轉向了其他話題。愛德華·泰勒想要討論一種更為強力的「超級炸彈」（即氫彈），利用核分裂帶來的爆炸衝擊來引爆氘和氚並引發核融合。[31]泰勒提議了各種方案，但被貝特一一否決。核融合的思路也被擱置，人們轉為繼續深入探討核分裂炸彈的製造方法。[32]泰勒還推測，理論上通過一種氮原子核融合反應，原子彈可能會「點燃」引爆點周圍的大氣。[注 3]貝特在經過一番計算後認為大氣不會被點燃，[34]泰勒作為共同作者參與的一篇報告也指出「不會出現自發的核連鎖反應」。[35]瑟伯爾後來回憶道，歐本海默曾對亞瑟·康普頓順口一提此事，後者「開始對此喋喋不休」，「這事情不知怎麼被寫進一份遞至華府的文件中」，「就此沒完沒了起來」。[注 4]
1942年6月，陸軍工兵總監（英語：Chief of Engineers）尤金·雷巴德少將指派詹姆士·馬歇爾上校擔任核子武器計畫陸軍方面的負責人。馬歇爾在華盛頓特區設有聯絡辦公室，又在紐約百老匯270號（英語：Tower 270）18層建立了自己的臨時總部，方便調動美國陸軍工程兵團北大西洋師（英語：North Atlantic Division）。此處距離核子武器計畫的主要承包商石威在曼哈頓的辦公地址很近，也離哥倫比亞大學不遠。他還可以從自己之前指揮的雪城軍區（Syracuse District）抽調人員。馬歇爾第一個調用的人是肯尼斯·尼科爾斯中校，命他擔任自己的副官。[37][38]
有鑑於馬歇爾的主要任務是工程建設，他與工程兵團建設師的師長湯瑪斯·羅賓斯（Thomas M. Robbins）少將與其副官萊斯利·格羅夫斯上尉展開合作。雷諾德、薩默維爾和斯泰爾想要將這個計畫稱作「代用材料項目發展」（Development of Substitute Materials），但格羅夫斯擔心這樣做太過惹人注目。鑑於工程區通常以所在城市命名，馬歇爾和格羅夫斯同意將核子武器計畫陸軍負責的部分命名作「曼哈頓區」（Manhattan District）。8月13日，雷巴德正式下令建立曼哈頓區。私底下人們也稱呼該計畫「曼哈頓工程區」（Manhattan Engineer District）。不過和其他工程區不同的是，曼哈頓區並沒有明確的地理邊界，負責人馬歇爾還是師級區監。「代用材料項目發展」依然是陸軍核子武器計畫的正式官方代號，但逐漸被「曼哈頓區」的叫法取而代之。[38]
馬歇爾日後寫道：「我當時從未聽說過原子分裂的事，但我也知道區區9000萬美元是不可能蓋好一整座工廠的，遑論蓋四座。」[39]當時，尼科爾斯在賓夕法尼亞州新蓋的一座TNT工廠就花了1.28億美元。[40]預算概算的數值範圍也是大得離譜——格羅夫斯說這簡直就是像請人置辦酒席，然後告訴承辦方參加人數可能在十人到一千人之間不等。[41]在考察了幾處選址後，戰時生產委員會推薦在田納西州距諾克斯維爾不到20英里的埃爾扎（英語：Elza, Tennessee）附近建立工廠，該地荒無人煙，加之田納西河谷管理局可以提供充足的電力，附近的河流亦能為反應爐冷卻降溫。科南特建議立刻拿下這塊地，斯泰爾亦同意此舉，然而馬歇爾則希望等科南特的核子反應爐實驗結果出了之後再做行動。[42]當時，那幾個研究計畫中只有勞倫斯的電磁分離法取得了有效進展，可以動土。[43]
馬歇爾和尼科爾斯開始統籌曼哈頓計畫所需物資、後勤，他們的第一步便是給計畫排成高優先級。當時，最高級別的優先級評級由高到低依次為AA-1到AA-4，不過還有為緊急事件保留的AAA級。AA-1級和AA-2級通常用於必要的武器和裝備，因此需求與資源服務供應局（Services and Supply for requirements and resources）副參謀長盧修斯·克萊上校認為他只能將曼哈頓計畫評為AA-3級，不過他亦表示如有緊急需要可額外安排AAA級。[44]馬歇爾和尼科爾斯對此不滿，因為尼科爾斯在賓夕法尼亞州蓋的那個TNT工廠也是AA-3級的。[45]
萬尼瓦爾·布希覺得詹姆士·馬歇爾上校的行事不夠大刀闊斧。在他看來，上校不但沒能順利在田納西州建造工廠，而且給曼哈頓計畫爭取到的優先級評級也很低，還將自己的指揮總部設在了紐約市。[47]布希覺得曼哈頓計畫需要辦事更加雷厲風行的領導，便與哈維·邦迪（英語：Harvey Bundy）和喬治·馬歇爾將軍、薩默維爾將軍、斯泰爾將軍商討此事。他希望組建一個高級顧問團作為曼哈頓計畫的領導層，再選一名聲望高的軍官作為計畫整體的負責人，並推薦斯泰爾出任這一要職。[45]
薩默維爾和斯泰爾則舉薦格羅夫斯擔任負責人，並在9月17日向格羅夫斯通知了此項決定。馬歇爾上將還將格羅夫斯升到准將軍階，[48]認為「將軍」的名號更能震懾住曼哈頓計畫的科研人員。[49]升勛後，格羅夫斯越過雷巴德直接向薩默維爾匯報，而馬歇爾上校則成了格羅夫斯的部下。[50]格羅夫斯將自己的指揮總部設在了華盛頓特區戰爭部新大樓的五層、馬歇爾上校聯絡辦公室所在處。[51]1942年9月23日，他正式接管曼哈頓計畫。該日他參加了史汀生組織的會議，該會議組建了軍事政策委員會（Military Policy Committee），隸屬最高決策團之下，委員會成員有布希（有時科南特會替代他）、斯泰爾和海軍少將威廉·普奈爾。[48]後來，托爾曼和科南特還被指派為格羅夫斯的科學顧問。[52]
9月19日，格羅夫斯拜訪了戰時生產委員會主席唐納·尼爾森（英語：Donald M. Nelson），並要求對方給曼哈頓計畫AAA的優先級。尼爾森起初很不情願，但在格羅夫斯聲稱要把這事情上報給總統後他屈服了。[53]格羅夫斯保證說不到萬不得已絕不動用AAA級權限。不過很快人們意識到，曼哈頓計畫的日常開銷走AAA級會太高，但走AA-3級的話又太低。經過長時間的拉鋸戰，1944年7月1日，格羅夫斯終於成功將曼哈頓計畫優先度調整為AA-1級。[54]格羅夫斯後來說，「在華府你會漸漸明白『高優先級』一詞的含義。羅斯福政府批的每個議案都會被賦予高優先級，一兩周之後又被另一個高優先級議案取而代之。」 [55]
格羅夫斯上任後的另一個挑戰是敲定Y計畫的負責人。Y計畫由設計、製造原子彈的科學家組成。當時，三大科研實驗室的負責人——尤里、勞倫斯、康普頓——是這一位置的最佳人選，但他們都各自忙得脫不開身。康普頓推薦了對原子彈設計概念十分了解的歐本海默。然而，歐本海默當時從未擔任過任何行政管理的職務。而且，許多研究人員覺得這樣重大的實驗室項目的負責人應當是諾貝爾獎得主——尤里、勞倫斯和康普頓都曾獲得過諾貝爾獎，歐本海默則從未獲此榮譽。此外，人們也對歐本海默的安全等級有所顧慮。他認識許多共產主義者，有妻子凱薩琳·歐本海默、女友瓊·塔特洛克和弟弟法蘭克·歐本海默（英語：Frank Oppenheimer）。1942年10月，在火車上促膝長談一番後，格羅夫斯和尼科爾斯意識到歐本海默十分了解在荒郊野外建立實驗室會面臨的問題，決定選他為負責人。1943年4月20日，格羅夫斯免除歐本海默的安全要求並為他簽發了安全許可。[56][57]
剛開始英國和美國在核能方面僅僅有資訊交流，但並沒有合作。1941年，布希和科南特希望與英國共同合作進行代號合金管工程的計畫但被拒絕了，因為英國希望保持自己在核技術層面的領先地位，不想讓美國先一步研製出原子彈。[58]一位美國科學家親赴英國，給邱吉爾送去一封羅斯福以個人名義寫的信，信中表明若英美願意合作，美國願支付由此產生的一切研發費用。但是那名科學家在英國遭冷眼相待，邱吉爾也沒有回覆那封信。於是，美國1942年4月就決定，如果他們在英國遭拒的話就孤軍奮戰到底。[59]不過，英國當時在戰爭早期投入了大量的精力，彼時資源已經消耗殆盡，實在無法一邊顧全自身戰局一邊投身科研項目中，於是合金管工程的進度很快就落後於美國了。[60]1942年7月30日，合金管工程負責人約翰·安德森向邱吉爾諫言：「我們必須直面事實……[我們的]科研……優勢在縮水。要是不好好利用僅剩的這點優勢的話，我們就要被迎頭趕上了。現在加盟美國的話，我們還有拿得出手的成果，再晚點兒我們可就什麼也貢獻不出了。」[61]該月，邱吉爾和羅斯福會面，並達成了非正式的口頭共識，決定開始在原子彈科研方面展開合作。[62]
不過，此時此刻，英美雙方已經不能說是在對等合作了。1942年8月，英國想要不費分文地取得曼哈頓計畫的一部分實質控制權，但遭美國拒絕。到了1943年，英美兩國在核子武器研發計畫中扮演的角色與1941年下半年那時相比幾乎完全反過來了[59]；該年1月，科南特告知英國說英方除了在幾個特殊地區之外無權再接觸任何核子武器相關的資訊。[62]科南特和布希還對英方稱這是「上級的命令」。[63]英國對邱吉爾和羅斯福所定的協議的作廢感到很震驚，但加拿大國家研究委員會委員長C·J·麥肯茲（英語：Jack Mackenzie）則覺得這還在意料之中，寫道「我總覺得和美國人比起來，英國人把自己對原子彈的貢獻看得太重了些。」[62]
英國在曼哈頓計畫中的地位每況愈下；美國科學家已經決定他們不再需要任何外援了，而且他們也不想讓英國戰後開發核能源用作商業用途，更不想在戰後和英國結成核能聯盟。軍事政策委員會支持在戰爭期間加大對英國的保密力度，尤其要對原子彈設計方案三緘其口，哪怕這麼做會放慢曼哈頓計畫的進度——他們決定，只對英國開放會對核子武器製造計畫有幫助的資訊，別的一律保密。羅斯福也同意了。到了1943年初，英國不再向美國輸送任何研究成果、學者，美國也因此中斷了所有的資訊共享。英國曾考慮過讓加拿大停止生產鈾和重水來逼迫美國重新開放資訊共享，可加拿大本來就是在靠著美國的物資才能生產這些資源，這一脅迫也是毫無意義。[64]英國也考慮過自主研發核子武器，但又認為工期漫長，無法左右歐洲戰局。[65]
1943年3月，科南特認為英國還是可以協助曼哈頓計畫的實施的。比如，詹姆士·查兌克等若干名英國科學家會對洛斯阿拉莫斯的原子彈研製工作組大有幫助，值得去冒核子武器設計機密外漏的風險。[66]1943年8月，邱吉爾和羅斯福共同簽訂《魁北克協定》，重啟英美科學家雙邊合作。[67]不過這回，英國同意不接觸製造原子彈必須的大規模原料生產工廠的機密數據。[68]1944年9月的《海德公園備忘錄》則將這一合作關係延續到了戰後。[69]《魁北克協定》還成立了聯合政策委員會（Combined Policy Committee）用以協調美國、英國、加拿大三方的合作關係，由史汀生、布希、科南特代表美國，約翰·迪爾陸軍元帥、約翰·傑斯廷·盧埃林上校代表英國，克拉侖斯·第開特·豪代表加拿大。[70]盧埃林在1943年年底回到英國，他在聯合政策委員會的位置被隆納·伊恩·坎貝爾（英語：Ronald Ian Campbell）取代，隨後又在1945年年初由英國駐美國大使哈利法克斯伯爵接替。約翰·迪爾1944年11月在華盛頓特區過世，陸軍元帥亨利·梅特蘭·威爾遜接任英國聯合參謀代表團（英語：British Defence Staff – US）參謀長和聯合政策委員會成員。[71]
《魁北克協定》落實後，美國在曼哈頓計畫的進展讓英國吃驚不已。美國當時已經在計畫中投入超過10億美元（合2020年的122億美元[1]），而英國在1943年才將將投入50萬英鎊而已（合2021年的2,392萬英鎊[72]）。查兌克要英國全心全意投入到曼哈頓計畫的研發工作中，不要再指望英國在戰爭期間還能獨立研製出原子彈。[65]在邱吉爾的支持下，查兌克保證儘可能滿足格羅夫斯的每個請求。[73]1943年12月赴美的英國科學家有尼爾斯·波耳、弗里施、克勞斯·富赫斯、佩爾斯和厄尼斯特·蒂特頓（英語：Ernest William Titterton）。[74]1944年年初又來了一大批科學家。那些分到氣體擴散研究的科學家在1944年秋時便離開了項目；不過在柏克萊，勞倫斯和奧利芬特手下的35名科學家被重新分配到還在運作的實驗室裡，絕大部分人待到了戰爭結束後才離開。被派往洛斯阿拉莫斯實驗室的19人也被劃到尚在運作的實驗室中，主要負責研究內爆與炸彈組裝，但不涉及到鈽彈。[65]魁北克協定還要求，在徵得美國和英國的同意之前，禁止對其他國家使用核子武器。1945年6月，在威爾遜的同意下，聯合政策委員會共同決定對日本使用原子彈。[75]
1944年6月，聯合政策委員會建立了聯合發展信託（英語：Combined Development Trust），由格羅夫斯任主席，負責從國際市場採購鈾礦和釷礦。比屬剛果與加拿大擁有東歐以外地區的大部分鈾礦，而比利時流亡政府當時正設立在倫敦。鑑於美國的科研機密限制，比利時鈾礦的絕大部分都沒法為英國所用，英國也就同意將這些礦石讓給美國。[76]1944年，聯合發展信託從比屬剛果的礦廠購入了3,440,000英磅（1,560公噸）的氧化鈾礦石。他們開設了一個特別帳戶，可以規避信託通常需要面臨的審計和監管環節，以此避免將曼哈頓計畫透漏給美國財政部長小亨利·摩根索。從1944年到格羅夫斯在1947年辭掉信託主席職務為止，他累計向帳戶中存入3750萬美元。[77]
格羅夫斯對英國早期的原子能研究和英國科學家在曼哈頓計畫上給予的支持與幫助表示讚賞，但他也認為美國無需依靠英國插手也能完成任務。[65]他還提到，邱吉爾是「原子彈計畫的最好的朋友，[因為]他讓羅斯福對計畫保持興致……邱吉爾天天叨擾他，跟他說自己覺得這個計畫是多麼至關重要。」[55]
戰爭結束後，1946年，《原子能法案》生效，英美合作暫時中斷，英國也開始了自己的獨立核子武器項目（英語：High Explosive Research）。英國在戰爭期間參與的曼哈頓計畫對這一本土研究項目幫助極大。[65]
上任後的第二天，格羅夫斯與馬歇爾上校一同搭乘火車前往田納西州去視察項目選址，並對結果感到頗為滿意。[79][80]1942年9月29日，美國臨時戰爭部長（英語：United States Under Secretary of War）羅伯特·P·帕特森批准工程兵團用3500萬美元的價格徵收56,000英畝（23,000公頃）的土地，後又額外加了一塊3,000英畝（1,200公頃）的土地。徵收令在10月7日生效，波及到大約一千個家庭。[81]人們為此抗議、上訴，甚至國會在1943年都出面調查，但都未能影響這一決定。[82]11月中旬，法警在農場房屋門上釘入搬遷通知，建築工人也陸陸續續搬入。[83]有的人被要求在兩周內舉家搬離自己世代居住的祖屋；[84]有人因1920年代設立大煙山國家公園、1930年代修建諾里斯大壩才搬入此地沒多久。[82]該土地徵收令一直執行到1945年3月才陸陸續續到了尾聲，總花費只有260萬美元，合每英畝47美元。[85]時任田納西州州長（英語：Governor of Tennessee）普倫蒂斯·庫珀接到將橡樹嶺劃為絕對軍事禁區的第二號公告（Public Proclamation Number Two）時曾勃然大怒，把文件撕了個粉碎。[86]此地有段時間被稱為京斯頓拆遷區（Kingston Demolition Range），後於1943年初正式更名為柯林頓工程師工程（Clinton Engineer Works），代號Site X。[87]石威負責修建工廠；SOM建築設計事務所則設計建造了一個能容納13,000人的住宅區，位於黑橡樹嶺（Black Oak Ridge）的山坡上，後來興建的橡樹嶺鎮因此得名。[88]
1943年8月，尼科爾斯取代馬歇爾成為曼哈頓工程區區監後，陸軍在橡樹嶺的活動愈加頻繁。他上任後直接將計畫的總部遷至橡樹嶺，但並沒有將「曼哈頓工程區」的名稱改掉。[89]1943年9月，橡樹嶺所在的羅恩縣和安德森縣的住宅區物業被外包給特納建築公司（英語：Turner Construction Company）的子公司羅恩-安德森公司。[90]小威廉·J·威爾科克斯（William J. Wilcox Jr.）和瓦倫·富赫斯（Warren Fuchs）等化學工程師被要求「玩命」將鈾-235濃縮至10%-12%（這種鈾被稱作「天然鈾」），該項目安保級別很高，物資申請也批得很快。[91]橡樹嶺的人口增長很快超過了原先的預期，在1945年5月時達到了最高點7.5萬人；柯林頓工程師工程一共雇有8.2萬人，[78]羅恩-安德森公司雇有1萬人。[90]藝術攝影師約瑟芬·赫里克（英語：Josephine Herrick）和她的同事瑪麗·斯蒂爾斯（Mary Steers）在橡樹嶺負責記錄該地運轉狀況。[92]
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維基文庫中相關的原始文獻：洛斯阿拉莫斯農場學校徵用通知書 |
曼哈頓計畫曾考慮過將Y計畫也放在橡樹嶺，但最終還是決定另尋他處。歐本海默建議在新墨西哥州阿布奎基附近進行Y計畫，他在該地有一間農場。1942年10月，曼哈頓區約翰·達德利（英語：John H. Dudley）將軍受命前往該區域調查，並推薦了新墨西哥州赫梅斯斯普林斯（英語：Jemez Springs, New Mexico）附近的一處地點。[93]11月6日，歐本海默、格羅夫斯、達德利等人參觀了此處，但歐本海默擔心四周高聳的絕壁會讓人幽閉，工程師們則擔心有可能發大水。隨後，一行人來到了洛斯阿拉莫斯農場學校（英語：Los Alamos Ranch School）附近。歐本海默瞬間喜歡上了這個地方，大讚特贊這裡的自然風光和桑戈雷克里斯托山脈的美景，希望這可以鼓舞士氣。[94][95]工程師們則覺得該地除了交通、供水問題外別的都十分理想。[96]
1942年11月25日，帕特森批准了Y計畫的徵地申請，並批下44萬美元用於購買54,000英畝（22,000公頃）的地皮，這其中只有8,900英畝（3,600公頃）的面積當時不屬於聯邦政府。[97]農業部長克勞德·韋克特（英語：Claude R. Wickard）將一片45,100英畝（18,300公頃）的國家森林局所有土地劃給戰爭部臨時使用，「前提是的確有軍事活動方面的需求」。[98]後來，曼哈頓陸陸續續購入新的地皮用於修路，後來又買了一些來架設擁有優先通行權的電纜，電纜全長25英里（40公里）。加上這些，曼哈頓在戰爭期間購入土地總面積為45,737英畝（18,509.1公頃），但只花費了414,971美元。[97]建設工程由亞利桑那州土桑的M·M·桑特公司（M. M. Sundt Company）承包，新墨西哥州聖非威廉·C·克魯格事務所（英語：Willard C. Kruger and Associates）負責建築與工程設計。1942年12月，Y計畫正式動土。格羅夫斯一開始計畫在1943年3月15日竣工，撥款30萬美元用於建設，是歐本海默估算的三倍。不過很快，人們意識到Y計畫的範疇遠比先前預想的要大，最後桑特公司在1943年11月30日才完工，花費超過700萬美元。[99]
洛斯阿拉莫斯因保密需要被稱為「Y地點（Site Y）」或「小山（the Hill）」。[100]戰爭期間，降生在洛斯阿拉莫斯的孩子的出生地點均被登記為「聖非1663號郵政信箱」。[101]洛斯阿拉莫斯實驗室成立之初是作為軍事實驗室運轉的，歐本海默等研究人員理論上來說應獲授陸軍軍階。歐本海默甚至給自己訂了一身少校軍裝，但兩個重要的物理學家羅伯特·巴徹和伊西多·拉比則不喜歡這一安排。科南特、格羅夫斯、歐本海默隨後讓步，將實驗室交給加州大學接管，並訂立合約讓實驗室繼續效命戰爭部。[102]
1942年6月25日，一個陸軍與科學研究與開發辦公室共同組建的委員會決定在芝加哥西南方向的紅門森林（英語：Red Gate Woods）蓋一座煉鈽先導工場。7月，尼科爾斯從庫克縣森林保護區（英語：Cook County Forest Preserve District）租來1,025英畝（415公頃）的地皮，代號「阿貢」（Argonne），由詹姆士·F·格拉夫頓上尉（James F. Grafton）擔任芝加哥區區監。後來人們很快意識到這些作業工程規模龐大，這點面積根本不夠用，便把工廠遷到橡樹嶺，在芝加哥留下部分科研測試設施。[103][104]
考慮到紅門森林工廠的工期推遲，康普頓批准在芝加哥大學設立冶金實驗室，位於該校斯塔格體育場（英語：Stagg Field）的看台下方。核子反應爐要用到大量的石墨塊和鈾芯塊，但當時純鈾供應量很小。愛荷華州立大學的法蘭克·斯佩丁（英語：Frank Spedding）只造出2短噸（1.8公噸）的純鈾，西屋燈具廠（英語：Westinghouse Lamp Plant）輪班倒才又趕製了3短噸（2.7公噸）的鈾金屬。固特異輪胎公司製造了一個巨大的方形氣球，可以將反應爐包裹起來。[105][106]1942年12月2日，費米帶領的團隊成功讓實驗核子反應爐「芝加哥1號堆」達到臨界值，引發世上首個人工[注 5]自持核連鎖反應。[108]康普頓給遠在華盛頓特區的科南特通電話報喜時說：「義大利航海家費米剛剛抵達新大陸。」[109][注 6]
1943年1月，格拉夫頓的接任者亞瑟·V·彼得森（英語：Arthur V. Peterson）少校覺得把核子反應爐放在人口密集的區域太危險了，便下令將芝加哥1號堆遷到紅木森林。[110]1944年5月15日，史上首座重水核子反應爐芝加哥3號堆（英語：Chicago Pile-3）在阿貢達到臨界值。[111][112]戰後，紅木森林還在運轉的科研設施被遷至約6英里（9.7公里）開外的新地點，形成了後來的阿貢國家實驗室。[104]
1942年11月，格羅夫斯將杜邦選作煉鈽設施建設的主要承包商。政府最開始想和杜邦簽一份標準的成本加固定酬金合同（英語：cost-plus contract），但杜邦總裁小華特·S·卡彭特（英語：Walter S. Carpenter, Jr.）卻不求任何利潤，還要求修改合同不讓杜邦獲得任何專利權。這一要求被准許了，不過因法律原因合同上還是列了一美元的名義費用。戰爭結束後，杜邦要求儘早終止合同，並為此付還33美分。[113]
到了該年12月，擔心橡樹嶺發生重大核事故而殃及池魚的人越來越多，雖然事故機率很小，但橡樹嶺距離人口密集的諾克斯維爾還是太近了。杜邦建議將新建的工廠搬得離橡樹嶺遠遠的。[114]該月，格羅夫斯命令富蘭克林·馬賽厄斯上校和杜邦的工程師新物色一個合適的廠址。在報告中，馬賽厄斯稱華盛頓州里奇蘭的漢福德區「各方面都堪稱完美」。漢福德人跡罕至，位於哥倫比亞河畔，可為煉鈽反應爐提供充足的冷卻水。格羅夫斯在1月考察該地，並設立了漢福德工程師工程（Hanford Engineer Works），代號「W地點」（Site W）。[115]
臨時戰爭部長帕特森在2月9日批准了漢福德區的設立，並劃了500萬美元用於徵收40,000英畝（16,000公頃）的土地。聯邦政府遷走了住在懷特布拉福斯（英語：White Bluffs, Washington）和漢福德（英語：Hanford, Washington）附近的居民，以及在該地活動的瓦納普姆（英語：Wanapum）等部落，共計約1500人。有當地農民在土地徵收前已在農田裡完成播種，在搬遷期間因未能就補償問題達成共識而與政府發生糾紛。時間上錯得開的時候，陸軍允許農民入場進行收割活動，但不是所有人都能獲准進入軍事禁區。[115]整個土地徵收斷斷續續一直持續到了曼哈頓計畫正式宣告結束的前夕，1946年12月。[116]
不過，土地徵收的糾紛並沒有拖延工期。彼時，冶金實驗室尚未完成核子反應爐的設計，杜邦雖然無法給出計畫的準確工期評估，但仍然在1943年4月開始修建工廠，預計容量2.5萬名工人，其中一半工人需要住在工廠的宿舍里。到了1944年7月，杜邦已經蓋了1200多棟樓，大約5.1萬人居住在施工營地里。作為區工監的馬賽厄斯負責監督、管控整個漢福德區。[117]漢福德區的施工營地一度是華盛頓州第三大人口聚集區，[118]公交車路線超過900條，比芝加哥市的還要多。[119]和洛斯阿拉莫斯、橡樹嶺一樣，里奇蘭設有門禁、圍欄，限制人員流動，但它看起來很像戰爭期間興旺起來的普通小鎮，沒有什麼大張旗鼓的軍事活動，高牆、塔台、看門狗等事物也不多見。[120]
科明科公司自1930年以來便一直在英屬哥倫比亞省特雷爾市設有工廠生產電解氫。1941年，尤里提出要讓科明科生產負責生產重水。該工廠作業線價值1000萬美元，擁有3215個電解槽，消耗水能電力75MW，聯入次級電解槽後可將水中的氘含量從2.3%提升至99.8%。普林斯頓大學的休·泰勒（英語：Hugh Stott Taylor）為該生產線的前三座攪拌塔設計了一種碳負載鉑催化劑，尤里則研發出鎳鉻催化劑，用於第四座攪拌塔。最終，項目的總花費280萬美元。加拿大政府在1942年8月才正式被告知該項目的施行。特雷爾市的重水生產線從1944年1月開始一直運行到1956年，生產出的重水被用於史上首座使用重水和天然鈾的反應爐——芝加哥3號堆。[121]
安大略省在遠離人煙的粉筆河設立了一座實驗室，用來分流盟軍在蒙特婁實驗室的科研計畫，深河市（英語：Deep River, Ontario）也為此興建了一個社區，方便實驗室工作人員的衣食住行。[122]這一選址考慮到其距離安大略和魁北克的工業園區很近，附近鐵路更可直達大型軍事基地佩塔瓦瓦營（英語：Camp Petawawa），且位於渥太華河畔，不愁用水。粉筆河實驗室的首任主管是漢斯·馮·哈爾班（英語：Hans von Halban）。1944年5月，約翰·考克饒夫接替了他的職位，後又在1946年9月傳給班尼特·路易斯（英語：Bennett Lewis）。該實驗室設計製造了加拿大首座核子反應爐——零能量重水試驗反應爐，也是首次有美國之外的國家成功研發出核子反應爐。1945年9月，ZEEP達到臨界值，後又持續被用於科研活動中，一直運轉到1970年才中止。[123]粉筆河實驗室在戰爭期間還設計了另一座規模更大的核子反應爐NRX（英語：NRX），功率10MW，在1947年7月達到臨界值。[121]
埃爾拉多礦場（英語：Eldorado Mine (Northwest Territories)）坐落在大熊湖附近的鐳錠港（英語：Port Radium），出產鈾礦。[124]
杜邦雖更偏愛氦冷石墨減速劑核子反應爐，但為確保萬無一失，一旦石墨核子反應爐設計行不通就改用重水反應爐。經計算，每月為此至少需要生產3短噸（2.7公噸）的重水，官方代號「P-9計畫」的重水生產項目也就此應運而生。特雷爾在建的重水工廠每月產能只有0.5短噸（0.45公噸），達不到重水反應爐的需求量。格羅夫斯因而准許杜邦在以下地點附近架設重水生產設施：摩根敦軍械工程（Morgantown Ordnance Works，臨近西弗吉尼亞州摩根敦）、沃巴什河軍械工程（臨近印第安納州達納和紐波特）和阿拉巴馬軍械工程（英語：Alabama Army Ammunition Plant）（臨近阿拉巴馬州柴爾德斯堡和錫拉科加）。這批工廠雖冠以「軍械工程」之名、依照陸軍軍械兵團合約運行，但實則由陸軍工兵部隊修建、營運。美國的重水處理流程和加拿大特雷爾的有所不同——重水因沸點略高，能夠以蒸餾的方式製得。[125][126]
鈾是曼哈頓計畫的一大關鍵原材料，可用作核子反應爐的原料和鈽的合成，濃縮後還能直接用到原子彈里。1940年，世界上已探明的大型鈾礦田有四處，分別位於美國科羅拉多、加拿大北部、捷克斯洛伐克亞希莫夫和比屬剛果，[127]其中除了亞希莫夫外其他的都在盟軍的控制之下。[128]1942年11月的調查顯示，可用的鈾礦能夠滿足曼哈頓計畫的所有需求。[129]尼科爾斯與美國國務院協調，限制氧化鈾的出口，並從比屬剛果購入1,200短噸（1,100公噸）鈾礦，一部分存在史泰登島倉庫里，另一部分留在剛果。他也和埃爾拉多金礦公司（英語：Eldorado Mining and Refining）達成購買協議，採購其位於安大略省霍普港（英語：Port Hope, Ontario）精煉廠的礦石，並由埃爾拉多負責分批運輸，每批100噸。加拿大政府則為此購入埃爾拉多的股票，取得控制股權。[130]
雖說這些採購項目足以應付戰時需求，但為了謀求利益最大化，英美兩國希望儘量取得全世界所有鈾礦田的控制權。埃德加·西格尼爾（英語：Edgar Sengier）是比屬剛果欣科洛布威（英語：Shinkolobwe）礦場所屬公司上加丹加聯合礦務（英語：Union Minière du Haut-Katanga）的總裁，當時欣科洛布威礦場的鈾礦資源最為豐富，但卻遭大水淹沒、被迫關閉。尼科爾斯沒能說服西格尼爾讓礦場恢復開採活動，自然也沒能讓礦場繼續向美國出口礦石。[131]聯合政策委員會便接手此事。上加丹加聯合礦務有30%的股權在英國手裡，英國於是牽頭開展談判工作。1944年5月，約翰·安德森與約翰·懷南特大使與西格尼爾和比利時政府達成協議，讓礦場恢復營運，並以1.45美元/磅的價格收購1,720短噸（1,560公噸）的礦石。[132]為了讓美國不依賴英國和加拿大的礦石，格羅夫斯從美國釩業公司（英語：US Vanadium Corporation）位於科羅拉多州鈾釩鎮的礦場購入800短噸（730公噸）礦石。[133]
密蘇里州聖路易市的萬靈科負責處理原礦石，將原材料放入硝酸溶化，生成硝酸鈾醯。隨後利用醚，通過液-液提取法將雜質從硝酸鈾醯中分離，再經過加熱得到三氧化鈾，最後還原為高純度二氧化鈾。[134]1942年7月的時候，萬靈科每日可生產1整噸高純度氧化鈾，但另外兩個承包商，西屋電氣和金屬氫化物公司（Metal Hydrides），在將氧化鈾轉化為鈾金屬時屢屢受挫，[135]導致鈾產量極低，質量也不達標。冶金實驗室為此在愛荷華州埃姆斯市的愛荷華州立大學成立了特別科研小組「埃姆斯計畫」，由法蘭克·斯佩丁領導，用來研究氧化鈾轉鈾金屬的替代方案，其研究成果「埃姆斯過程（英語：Ames process）」在1943年問世。[136]
自然界中，99.3%的鈾元素是鈾-238，0.7%是鈾-235，二者的化學性質完全相同，但只有鈾-235可以分裂，因此需要被從天然豐度更高的鈾-238中分離出來。人們提出過若干種將鈾濃縮的方法，其中大部分在橡樹嶺施行。[137]
最容易想到的離心分離法並未取得成效，但其他的幾個分離法——電磁分離法、氣體擴散法、熱擴散法——均取得了有效進展，在曼哈頓計畫中得到了實際應用。1943年2月，格羅夫斯提出將某些工廠的產物用作另一些工廠的生產原材料。[138]
1942年4月時，離心法被認為是唯一有希望成功的分離法。[139]維吉尼亞大學的傑西·比姆斯（英語：Jesse Beams）早在1930年代便已研究出這一分離法，但還是有一些技術難關亟待攻克。離心分離法需要離心機以高速運轉，但是在某些特定的速度下會產生諧波振動，可導致機械損毀解體。因此，離心機在加速時需要提高加速度來避過這些速度。1941年，比姆斯開始使用六氟化鈾，這是唯一已知的氣態鈾化合物，並成功分離出鈾-235。在哥倫比亞大學，卡爾·科恩（英語：Karl Cohen）奉尤里之命詳細研究了這一過程，又提出了一系列數學理論佐證建設離心分離裝置的可行性。西屋電氣負責承建離心分離裝置。[140]
不過，科恩的方案在大規模生產時面臨巨大的挑戰。尤里和科恩估計，如果每天生產1公斤鈾-235，那麼就需要用到5萬台1公尺轉子的離心機，或使用1萬台4公尺轉子的離心機（前提是造得出4公尺的轉子），怎樣讓如此之多的轉子連續高速運轉便是一大難題。[141]此外，比姆斯用實驗設備預演時僅獲得了預期產出的60％，意味著工廠需要更多的離心機，讓這一問題雪上加霜。然後，比姆斯、烏里和科恩開始研究改進措施，希望提高該過程的效率，但是高速電機、軸和軸承屢屢故障，致使先導工廠的工期一拖再拖。[142]1942年11月，在科南特、尼科爾斯和石威公司的奧古斯特·C·克萊因（August C. Klein）的建議下，軍事政策委員會放棄了離心分離法。[143]
儘管曼哈頓計畫沒有採用離心分離法，但戰後蘇聯工程師和被俘的德國工程師共同在蘇聯開發了Z型離心機，讓該方法的研究取得了顯著進展。[144]它最終成為鈾同位素分離的首選方法，比第二次世界大戰期間使用的其他分離法都經濟得多。[145]
電磁同位素分離法由勞倫斯在加州大學放射實驗室（University of California Radiation Laboratory）研發設計。該方法中會用到電磁型同位素分離器[注 7]，這一設備由標準實驗室用的質譜分析儀和迴旋加速器磁鐵結合而來。[147]這一方法需要用到電磁力，利用磁場讓帶電粒子發生偏轉，其偏轉角度因質量不同而有所區別。[148]這一過程的原理不但在學術上不夠簡潔了，而且效率達不到工業生產需要。[149]和氣體擴散工廠和核子反應爐比較，電磁分離工廠不但建造過程斥資龐大，而且消耗更多的稀有資源，還需要更多人手進行操作。不過，這一方案還是獲得了批准，因為它基於已被證實可用的技術原理，因而風險更小。而且，電磁分離工廠可以分期建造，能很快達到工業生產所需規模。[147]
馬歇爾和尼科爾斯了解到，電磁同位素分離需要用到5,000短噸（4,500公噸）的銅，但銅當時算是稀缺資源；不過銅可以用銀按11:10的比例替換。1942年8月3日，尼科爾斯與財政部副部長（英語：United States Deputy Secretary of the Treasury）丹尼爾·貝爾（英語：Daniel W. Bell）見面，希望西點金銀儲藏處能提供6,000噸銀條。「小伙子，」貝爾說，「你可能用『噸』來計量銀條，不過財政部這裡是用金衡制盎司來點數的！」[150]最終，曼哈頓計畫用掉了14,700短噸（13,300公噸；430 × 106金衡制盎司）銀條。[151]
銀條每塊重1,000金衡制盎司（31公斤），被做成圓柱形的金屬塊，運往紐澤西州百威區（Bayway）的費爾普斯-道奇公司（英語：Phelps Dodge）並重鑄為長40英尺（12公尺）、截面0.625×3英寸（15.9×76.2公釐）的長條，又在威斯康辛州密爾瓦基的艾利斯查爾默斯公司被繞到勵磁線圈上。戰爭結束後，人們拆掉機器、清洗部件、撬開地板，收集生產過程中掉落的碎銀。最後經過統計，銀總共只流失約1/3,600,000。[151][152]1970年5月，所有的銀均被收回。[153]
S-1執行委員會將Y-12電磁分離法工廠的建設工程劃給石威執行。設計圖顯示，人們需要建立五個被稱為「Alpha粒子軌域」（Alpha racetracks）的一級處理器，以及兩個被稱為「Beta粒子軌域」（Alpha racetracks）的最終處理器。1943年9月，在格羅夫斯的批准下，Y-12新添了四個粒子軌域，編號「Alpha II」。1943年2月，Y-12正式動土。[154]
該年10月，工廠進入試運行階段。在磁線圈吸引下，重達14噸重的真空罐被拽離了原有的位置，人們不得不將其進一步加固。磁線圈後來還發生了更為嚴重的短路問題。12月，格羅夫斯命人打開一塊磁鐵，發現裡面鏽跡滿滿，便下令拆開粒子軌域，將磁鐵運回工廠進行清洗。Y-12還在現場設了一座酸洗工廠，用來清理管道和其他配件。[149]1944年1月，Alpha I的2號粒子軌域才正式開始運作；3月，Alpha I的3號、Beta的1號粒子軌域投入使用；4月，Alpha I的4號粒子軌域開始運轉；7月至10月間，Alpha II的四個粒子軌域全部開始運行。[155]
田納西伊士曼（英語：Tennessee Eastman）負責管理Y-12，酬金按其所簽訂的成本加固定費用合同來算，每月22,500美元，頭七座粒子軌域每月每座7,500美元，後添的粒子軌域每月每座4,000美元。[157]一開始，加速器由柏克萊的學者維護，以方便調試程序、改善運轉速率。後來田納西伊士曼訓練了一批只有高中學歷的操作員來接替他們的任務。尼科爾斯在對比前後產量後對勞倫斯說，這些年輕的「鄉巴佬（英語：hillbilly）」女操作員比那些博士幹得更加出色。他們甚至為此搞了場生產競賽，結果勞倫斯敗了，極大地鼓舞了田納西伊士曼的員工的士氣。女操作員「被教導像士兵那樣，幹事情不要問為什麼」，而「那批學者老是忍不住花大把的時間去斤斤計較微乎其微的儀器波動」。[158]
Y-12最開始產出的鈾-235成品的純度為13%－15%，1944年3月將第一批數百克成品運至洛斯阿拉莫斯。鈾料的產率只有1/5,825，剩下的大部分都在生產過程中濺到設備上了。後來人們努力回收原料，在1945年1月時產率已提高到了10%。2月，Alpha粒子軌域開始採用新建成的S-50熱擴散工廠的產出作為原料進行再加工，這些原料經過前一步的濃縮，其純度已達到1.4%。3月，Y-12開始用純度5%的K-25氣體擴散工廠產物作生產原料。該年8月，K-25的鈾純度已高到可直接送進Beta軌域了。[159]
氣體擴散法是當時最具挑戰性的同位素分離法。依照戈雷厄姆定律，氣體的瀉流速率和分子量的平方根成反比，因此裝有膜的容器中若混有兩種氣體，那麼輕的氣體分子會比重的分子通過的速度更快，因此通過膜的氣體中，分子量小的氣體純度會上升，而大的濃度會下降。而K-25的設計原理也是基於此現象，通過將一系列容器串接起來，再裝上氣泵和膜（氣柵），就能將原料一層層濃縮起來。相關科研工作由哥倫比亞大學的哈洛德·尤里、卡爾·科恩（英語：Karl P. Cohen）、約翰·鄧寧等人進行。[160]
1942年11月，軍事政策委員會批准建立一座氣體擴散法工廠，可將鈾原料一層層滲透600階。[161]12月14日，M·W·凱洛格公司受僱修建代號「K-25」的工廠，與政府簽訂了成本加固定酬金合同，總佣金250萬美元。他們為此另開了一家公司Kellex，由凱洛格的副總裁珀西瓦爾·C·凱思（Percival C. Keith）負責領導。[162]氣體擴散法在技術上困難重重。鑑於沒有其他合適的原料，人們需要對腐蝕性極強的六氟化鈾氣體進行加工，為此馬達和氣泵必須真空密封，置入惰性氣體。最大的問題在於氣柵的設計——氣柵材料需堅固、多孔，能儘量不受六氟化鈾氣體的腐蝕，當時發現最好的材料是鎳。愛德華·阿德勒（Edward Adler）和愛德華·諾里斯（Edward Norris）將電鍍鎳做成網狀柵。哥倫比亞大學為建了座六階先導測試工廠測試網狀柵的效率，但網狀柵極易損毀，並不盡如人意。Kellex、貝爾電話實驗室和貝克萊特公司（英語：Bakelite）用鎳粉研製出了另一種氣柵。1944年1月，格羅夫斯下令將Kellex的氣柵投入使用。[163][164]
在K-25的設計圖中，Kellex設計了一個四層高、0.5英里（0.80公里）長的U型結構，由54座聯排建築構成，分為九大區。K-25內設有六階處理器，既可獨立運行，也可以和同一區域內其他處理器相互串聯。九大區也可以獨立或串聯運轉。1943年5月，一個調查組在這片500英畝（2.0平方公里）的土地上打記號，正式開始施工。1943年10月，K-25主建築動土施工。1944年4月17日，該工廠全部六階處理器均開始準備投入使用。1945年，格羅夫斯關閉了工廠的高階處理器，並要求Kellex改為設計建造一個540階的輔助原料處理單元K-27。1945年9月11日，Kellex將修建完成的建築轉交給營運承包商美國聯合碳與碳化物公司。包括戰後完工的K-27工廠在內，氣體擴散法的總花費達到4.8億美元。[165]
廠區在1945年2月開始運轉。隨著技術的日新月異，工廠的產出品質量也越來越高。到了1945年4月，K-25的鈾-235純度已達到1.1%，並開始採用S-50熱擴散法工廠的產出物作為加工原料。5月，部分產出品的純度甚至達到了近7%。8月，剩下的2,892階處理器全部投入使用。K-25和K-27的效率在戰後早期達到峰值，效率超過其他同位素分離廠一大截，成為新一代工廠的原型。[166]