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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·歐本海默於柏克萊加州大學負責。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。
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，計畫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。
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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·布什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·布什擔任主管，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·布什後，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、阿瑟·康普頓和喬治·皮格勒姆等交流了意見。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，羅斯福總統在與布什和副總統亨利·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、布什、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]
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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·默弗里和傑西·比姆斯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；阿瑟·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。這項提議獲布什、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的參謀長，時任陸軍核事務代表）的批准。[21]布什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]
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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、瑟伯爾、斯坦·法蘭克爾和埃爾德雷德·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，歐本海默曾對阿瑟·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]
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1942年6月，陸軍工兵總監尤金·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。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]
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萬尼瓦爾·布什覺得詹姆士·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]布什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，委員會成員有布什（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，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。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]
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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，布什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]科南特和布什還對英方稱這是「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·查德威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、布什、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]）。查德威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，查德威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。[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，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]
維基文庫中的相關原始文獻：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，新墨西哥州聖塔非威廉·C·克魯格事務所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「聖塔非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蓋一座煉鈽先導工場。7月，尼科爾斯從庫克縣森林保護區租來1,025英畝（415公頃）的地皮，代號「阿爾貢」（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·斯佩丁只造出2短噸（1.8公噸）的純鈾，西屋燈具廠輪班倒才又趕製了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，格拉夫頓的接任者阿瑟·V·彼得森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，形成了後來的阿爾貢國家實驗室。[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，但杜邦總裁小華特·S·卡彭特卻不求任何利潤，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和漢福德附近的居民，以及在該地活動的瓦納普姆等部落，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，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。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。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，功率10MW，在1947年7月達到臨界值。[121]
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，臨近西維吉尼亞州摩根敦）、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（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達成購買協議，採購其位於安大略省霍普港精煉廠的礦石，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·西格尼爾是比屬剛果欣科洛布威礦場所屬公司上加丹加聯合礦務的總裁，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」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丹尼爾·貝爾見面，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」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、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]
熱擴散處理法的原理出自西德尼·查普曼和大衛·恩斯科格的理論，該理論指出當混合氣體通過溫度梯度環境時，較重的氣體會聚集在低溫端，而較輕的會聚集在高溫端。而熱氣會上升，冷氣會下降，這樣一來就可以分開兩種同位素形成的氣體了。該分離法在1938年由德國科學家克勞斯·克盧修斯和格哈德·迪克爾（Gerhard Dickel）率先提出。[167]美國海軍將熱擴散法進一步研究，但當時人們對其技術可行性持懷疑態度，而且當時美國陸軍和海軍之間互相較勁，於是曼哈頓計畫最開始並未採納熱擴散法。[168]
在菲利普·艾貝爾森的牽頭下，海軍研究實驗室繼續進行熱擴散法的有關研究。1944年4月，負責洛斯阿拉莫斯軍械研發的海軍上尉威廉·S·帕森斯向歐本海默介紹了海軍在熱擴散法的喜人成就，海軍的相關研究才重歸人們的視野。在寫給格羅夫斯的信中，歐本海默建議將熱擴散法的產出直接用於Y-12工廠里。格羅夫斯為此組了個臨時委員會研究這一提議，成員有沃倫·肯德爾·路易斯、埃格爾·默弗里和理查·托爾曼。經委員會估算，熱擴散工廠耗資350萬美元，每周可將50公斤（110英磅）的鈾濃縮至0.9%。1944年6月24日，格羅夫斯批准了熱擴散工廠的建設。[169]
格羅夫斯與俄亥俄州克利夫蘭的H·K·弗格森公司（H. K. Ferguson Company）定下合同，修築這座代號「S-50」的熱擴散法工廠。格羅夫斯的顧問——卡爾·科恩和標準石油公司的W·I·湯普森（W. I. Thompson）[170]——預估這座建築要花六個月才能修好，但格羅夫斯只給了弗格森四個月的時間。依照設計，S-50要用到2142座48英尺（15公尺）高的熱擴散柱，分裝在21個架子上。每座柱子裡還裝有三個同心管道。附近的K-25發電站產生的蒸汽以100磅力每平方英寸（690千帕斯卡）的壓力、545 °F（285 °C）的溫度從最內部的1.25英寸（32公釐）鎳管中通過，而155 °F（68 °C）度的水從最外側的鐵管中流過。人們將六氟化鈾氣體鼓入夾在中間的銅管，讓同位素分離反應發生在鎳管和銅管之間。[171]
1944年7月9日，S-50正式動土；9月，S-50便進入了部分營運的階段；1945年3月，工廠所有的熱擴散柱均投入使用。弗格森通過子公司Fercleve營運工廠。1944年10月，工廠產出的鈾-235的純度達到0.852%，總質量10.5英磅（4.8公斤）。但後來工廠出現洩露事故，並為此停擺了好幾個月。不過1945年6月，工廠產出量已達12,730英磅（5,770公斤）。[172]最開始，只有S-50的產出被用作Y-12的原料，但到了1945年3月，曼哈頓計畫將三座熱擴散法工廠串到了一起——先是由S-50將原料從0.71%濃縮到0.89%，接著再由氣體擴散法工廠K-25濃縮到23%，最後再轉接給電磁分離法工廠Y-12並濃縮到89%左右。這個純度的鈾已經可用於核子武器製造。[173][174]
1945年7月，洛斯阿拉莫斯總共收到50公斤的濃縮鈾，其鈾-235的純度為89%。[174]這50公斤鈾與一些純度50%的濃縮鈾混在一起，最終純度為85%，全部裝填在了小男孩原子彈中。[174]
曼哈頓計畫作的第二手準備是另一種可分裂的元素——鈽。雖然自然界中也存在一些天然的鈽，但若想大量獲取鈽，最簡單的方式還是在核子反應爐里用中子轟擊天然鈾。鈾-238通過核轉換變為鈾-239，之後很快衰變，先變成錼-239，然後變成鈽-239。[175]但整個過程中能最終變成鈽的鈾只有一小部分，所以必須要用化學方法把鈽從殘留的鈾、原料中的雜質和核分裂產物里分離出來。[175]
1943年3月，杜邦開始在橡樹嶺建設一座112英畝（0.5平方公里）的鈽廠，作為在漢福德區大規模生產鈽的試驗工廠。該廠內擁有空氣冷卻的X-10石墨反應爐、化學分離廠和一些輔助設施。後來人們決定在漢福德區修建水冷反應爐，因此只有化學分離廠真正起到了先導工廠應有的作用。[176]X-10石墨反應爐有一塊長寬高均為24英尺（7.3公尺）的石墨塊，總重1,500短噸（1,400公噸），包裹在7英尺（2.1公尺）厚的高密度混凝土中減小放射線。[176]
該反應爐面臨的最大挑戰是萬靈科和金屬氫化物公司生產的鈾燃料棒。這些燃料棒需要鍍鋁防止腐蝕，同時也能避免分裂燃料進入冷卻系統中。格拉塞利化學公司（Grasselli Chemical Company）想要研製一種熱浸處理法但並未成功。美鋁還嘗試了包殼法。他們開發了一種無焊劑焊接法，有97%的包殼都通過了標準真空測試，但高溫測試的失敗率超過50%。儘管如此，1943年6月，生產線還是開始運作了。冶金實驗室在奇異的幫助下改善了焊接技術，在1943年10月應用到生產線上。[177]
在費米和康普頓的監視下，X-10石墨反應爐於1943年11月4日達到臨界值，用了大約30短噸（27公噸）的鈾。一周後，核子反應爐負荷量升至36短噸（33公噸），功率升至500kW，月末時產出500毫克鈽。[178]人們不斷地完善技術，到了1944年反應爐功率已達到4,000kW。X-10作為生產工廠一直運轉到了1945年1月，後改為科研活動之用。[179]
橡樹嶺為了趕工期用給反應爐用了氣冷，但大規模生產中這一冷卻方法並不可取。冶金實驗室和杜邦最開始想用氦冷，但後來為了省錢省時省力而改用水冷。[180]水冷的設計方案在1943年10月4日才正式完成，在此之前富蘭克林·馬賽厄斯一直忙著修繕漢福德區，建住房、修路、造支路鐵軌，還升級了電纜、水管和電話線。[181]
和在橡樹嶺遇到的困難類似，1944年3月漢福德在開始包殼鈾燃料棒時遇到了重重挑戰。這些鈾燃料棒均經過酸洗去除泥土等雜質，又浸過融化的銅、錫和鋁矽合金，再用液壓機壓過，並在氬氣中用電弧焊封住焊口，最後再經過重重測試，確保沒有焊接問題。最開始燃料棒合格率極低，每天只有寥寥數根能通過測試。不過1944年6月燃料棒質量穩步上升，看情況似乎能趕得上原定1944年8月啟用的B反應爐。[182]
1943年10月10日，B反應爐大樓動工。B反應爐是計畫修築的六座250MW核子反應爐中最先動工的一個。[183]這些核子反應爐從A到F以英文字母編號，其中B、D、F最先開工，以便給各反應爐之間預留最大的空間。曼哈頓計畫期間也只修了這三座反應爐。[184]
1944年2月，人們開始修築B反應爐本身。[185]1944年9月13日，在康普頓、馬賽厄斯、杜邦的克勞福德·格林華特、利昂娜·伍茲的見證下，費米向B反應爐中插入第一根燃料棒，就此啟動核子反應爐。在接下來的幾天中核子反應爐陸續填入838根燃料棒，達到臨界值。9月27日午夜鐘聲敲響後不久，操作員開始從反應爐中抽出控制棒，讓反應爐進入生產模式。一開始一切運轉良好，但在凌晨03:00左右輸出功率開始下降，06:30時核子反應爐完全罷工。工作人員檢查冷凝水，確保沒有洩漏或污染事故發生。翌日反應爐再度啟動，孰料反應爐再度停擺。[186][187]
費米將情況告訴了吳健雄，她指出問題應該出自中子毒物，由半衰期9.2小時的氙-135造成。[188]費米、伍茲、唐納·J·休斯和約翰·惠勒經過一通計算，發現氙-135的核截面是鈾的3萬倍。[189]杜邦工程師喬治·戈雷夫斯（George Graves）對冶金實驗室的原設計做了一些修改——原設計將1,500根管道排列成一個圓，戈雷夫斯又額外向其中加了504根管道來填滿剩餘的邊邊角角。科學家們最開始認為這一設計過度工程化，費時又費錢，但費米留意到這全部2,004根管能夠讓反應爐達到生產鈽所需要的功率級別。[190]1944年12月17日，D反應爐啟動；1945年2月25日，F反應爐啟動。[191]
與此同時，化學家們在不了解鈽的化學性質的情況下已開始思忖如何將其從鈾中分離出來。1942年，查爾斯·M·庫珀（Charles M. Cooper）帶領的團隊在冶金實驗室用極少量的鈽研發出氟化鑭處理法用來分離那兩種元素，該法後來被用到了先導分離工廠中進行試驗。隨後，西博格和史丹利·G·湯姆森（Stanly G. Thomson）發明了另一種分離法磷酸鉍處理法，[192]可利用磷酸鉍溶液將鈽的氧化數在+4和+6之間切換。氧化數+4時，鈽會沉澱；氧化數+6時，鈽溶於溶液，而其他物質會沉澱。[193]格林華特因氟化鑭有腐蝕性而更喜歡磷酸鉍處理法，該法獲選為漢福德化工廠使用的元素分離法。[194]X-10開始產鈽後，先導工廠旋即進入試驗階段。第一批次的生產效率只有40%，但後幾個月效率逐步升高至90%。[179]
在漢福德，曼哈頓計畫最首要的任務是修築300區的設施。該區有存放測試材料的倉庫、製備鈾的工廠和組裝校準儀器的工間。有一幢樓用來存放鈾燃料棒的包殼設備，另外有一幢修有一座小型核子反應爐。儘管300區享有高優先級，但該區設施獨特複雜，再加上戰時人手緊缺、物資不足，導致工期被延誤。[195]
漢福德原定在名為「200西區」和「200東區」的兩塊區域中各建兩座分離工廠，後改為在200西區修建「T廠」和「U廠」，在200東區只建一座「B廠」。[196]每座分離工廠都由四幢建築構成：處理裝置樓（編號221，也被稱為「峽谷（canyon）」）、濃縮樓（編號224）、淨化樓（編號231）和軍火庫（編號213）。「峽谷」長800英尺（240公尺），寬65英尺（20公尺），有40個17.7×13×20英尺（5.4×4.0×6.1公尺）的處理器。[197]
1944年1月，221-T廠和221-U廠動土，並先後在9月、12月竣工。221-B廠也在1945年3月完工。這些廠房由於放射線過強，工人必須要通過1943年時還聞所未聞的閉路電視遙控操作一切生產活動，維護修繕工作也是通過桁架吊車和特製工具進行。各廠224樓因需要處理的原料相對較少所以體積也更小，放射線也更弱。224-T樓和224-U樓在1944年10月8日完工，224-B樓則是在1945年2月10日完工。1944年4月8日231-W開始施工時，科學家們還沒有敲定淨化處理方法，不過年末時工廠竣工，淨化處理的方法也選定下來。[198]1945年2月5日，馬賽厄斯在洛杉磯親手將首批80克純度95%的硝酸鈽遞交給洛斯阿拉莫斯的物流人員。[191]
1943年時，科學家們想要用鈽用於槍式分裂武器「瘦子」。早期對鈽的性質研究用的是迴旋加速器生成的鈽-239，純度高但是產量低。1944年4月，洛斯阿拉莫斯收到了X-10反應爐的首份鈽樣品。幾天後，埃米利奧·塞戈雷便注意到了問題——反應爐增殖的鈽中，鈽-240的含量比迴旋式加速器的要高，可導致自發性反應速率增大到原估的五倍。[199]西博格早在1943年3月便已算到部分鈽-239會吸收一個中子變為鈽-240。[200]
這一發現導致反應爐增殖鈽無法用在槍式武器上。鈽-240會引發閃滅現象——連鎖反應提前開始，導致先期爆炸，釋放的能量會炸散核燃料，致使只有少部分鈽參與反應。人們又提出過一種更快的槍式構型，但試驗結果不盡如人意。科學家也想過分離同位素的事情，但是鈽的這兩個同位素比鈾-235和鈾-238還難分離，因而不得不作罷。[201]
與此同時，另一種內爆式的核分裂武器的研發工作在物理學家賽斯·內德邁爾的領導下如火如荼地進行著。其原理是將未達到臨界值的分裂材料置於球形容器中，再用炸藥將其向內壓縮，使其體積變小、密度增大。隨著原子間距離越來越小，中子俘獲的速率會越來越大，質量也會達到臨界值。鑑於這裡核原料移動距離很短，內爆式核子武器達到臨界值的速度比槍式核子武器要快得多。[202]內德邁爾在1943年至1944年年初對內爆式核子武器的研究成果頗為喜人，但研究結果也顯示內爆式的構型設計從理論角度和應用角度都十分複雜。[203]1943年9月，對穿甲彈成形裝藥小有研究的約翰·馮·諾伊曼認為，內爆彈不但會降低閃滅和先期爆的風險，還能高效利用分裂材料。[204]他還提出用一種球型的炸彈結構來取代內德邁爾設計的柱形炸彈。[205]
1944年7月，歐本海默決心放棄槍式鈽彈設計，轉為採用內爆式鈽彈。8月，歐本海默大幅調整洛斯阿拉莫斯實驗室的人手，緊鑼密鼓地專攻內爆式設計，代號「胖子」。[206]洛斯阿拉莫斯新成立了兩個實驗小組負責研發內爆式炸彈，其中X組（X表示「explosives」，即「炸藥」）由炸藥專家喬治·基斯佳科夫斯基負責，G組（G表示「gadget」，即「小工具」）由羅伯特·巴徹負責。[207][208]紐曼和T組（T表示「theoretical」，即「理論」；魯道夫·佩爾斯在此中十分活躍）的設計利用爆炸透鏡的原理，慢性高爆炸藥和快性高爆炸藥兩相結合，將爆炸集中在一個球面上。[209]
然而，設計過程中一波三折，進展緩慢。透鏡設計要求透鏡形狀和速度均在合適的範圍內。[209]人們測試了若干種不同的炸藥，最後選定B炸藥為快性炸藥，巴拉托為慢性炸藥。[210]最終的設計成果形似足球，共有20個六邊形透鏡、12個五邊形透鏡，每個透鏡重約80英磅（36公斤）。引爆過程還要用到高速、可靠、安全的電氣式雷管，保險起見每面透鏡上都裝了兩支。[211]路易斯·阿爾瓦雷茨帶領一組科學家在洛斯阿拉莫斯實驗室專門為此設計了電橋式電雷管，生產雷管的工作則由雷神公司完成。[212]
羅伯特·瑟伯爾提出了RaLa測試，利用鑭的短壽命放射性同位素、強伽瑪射線源——鑭-140，來研究匯聚衝擊波。試驗將該伽瑪射線源置於金屬球體正中央，球體外套上一層爆炸透鏡，再放在游離室中，便於科學家錄下內爆產生的X光的軌跡。爆炸透鏡主要是通過RaLa測試來一步步設計完善的。[213]大衛·霍金斯在給洛斯阿拉莫斯撰寫的史書中寫道：「RaLa是對炸彈設計終稿影響最大的單一實驗。」[214]
炸藥內部裝有4.5英寸（110公釐）厚的鋁填層，可從低密度炸藥平緩過渡到3英寸（76公釐）厚的天然鈾層。其主要功能是將臨界質量匯聚一起越久越好，但也能將中子反射回核心層中。為了避免外部中子造成先期爆炸，鈾層外還鍍了層薄薄的硼。[211]人們還研製了釙-鈹調製中子起爆器，因外觀類似而被稱作「海膽」，[215]可在規定的時刻精準引發連鎖反應。[216]該工程後成為「代頓計畫」的一部分。代頓計畫由孟山都的查爾斯·艾倫·湯瑪斯統籌，其中還有對放射性釙的化學性質、冶金方法的研究。[217]測試每月需要高達500居禮的釙，由孟山都負責提供。[218]組裝好的炸彈被裝入杜拉鋁制的炸彈外殼中，以防遭子彈、高射砲擊中而造成問題。[211]
冶金學家的終極任務是研究如何將鈽鑄成球體。很快，科學家們遇到了一些問題——運來的鈽總是測出不盡相同的密度。最開始人們以為有雜質混入，但後來發現是因為鈽中摻了多種同素異形體。[219]在室溫下，鈽處於α階段，此時鈽易碎、不易形變；稍稍加溫後，鈽會進入可塑性較好的β階段；加熱到300 °C－450 °C時鈽會進入δ階段，可塑性進一步提高，此階段若摻入鋁、融成鈽鋁合金的話，鈽可在室溫下達到穩定狀態。然而，鋁在被α粒子轟擊時會釋放中子，進而惡化先期爆炸的問題。冶金學家隨後想到了鈽鎵合金，該合金在δ階段十分穩定，可熱壓成球狀。此外，人們還發現鈽易腐蝕，便在球面上鍍了一層鎳。[220]
這一工作流程危險重重。戰爭結束時，一半的化學家和冶金學家因尿檢測出超量鈽元素而被迫退居二線。[221]1945年1月洛斯阿拉莫斯的一場小火災讓人們擔心若實驗室再度起火，整座小鎮都可能遭污染。格羅夫斯下令新修一座工廠「DP地點」（DP-site），專門用於鈽的化學處理和冶金提煉。[222]
鑑於內爆式武器設計之複雜，人們決定哪怕浪費得來不易的核材料也要先進行一場核試驗。格羅夫斯在要求能夠確保核材料供應充足的前提下批准了核試驗的決定。至於核試驗的規模，一開始人們只計畫進行可控閃滅，但歐本海默決定來一場全面核試驗，代號「三位一體」。[224]
1944年3月，哈佛大學物理教授肯尼斯·班布里治獲令進行核試驗的籌組工作，並受基斯佳科夫斯基的領導。班布里治將阿拉莫戈多空軍基地附近的靶場作為核試驗地點。[225]班布里治與海軍上校山繆·P·達瓦洛斯（Samuel P. Davalos）合作建設三一核試的大本營和其周遭的設施，有軍營、倉庫、車間、爆炸物彈藥庫、軍營雜貨店等。[226]
有鑑於核試驗用到的鈽價值達10億美元，一旦核試驗失敗，格羅夫斯就要在參議院的特派委員會前費心解釋為何10億美元會白白付之東流。於是，人們製造了一個代號「Jumbo」（意為「特大號」）的容器，在核試驗失敗時能將剩餘的活性核材料回收。Jumbo長25英尺（7.6公尺），寬12英尺（3.7公尺），由巴布柯克-威爾科斯公司在俄亥俄州巴波頓市用214短噸（194公噸）的鋼鐵鑄就，用特製火車經側線運至新墨西哥州，最後25英里（40公里）載在拖車上用兩輛拖拉機拉向核試地點。[227]不過，當Jumbo運抵現場時，人們對內爆式核子武器信心滿滿，加之鈽供應量充足，歐本海默便決定不用Jumbo，而是將其吊在了距離爆炸中心點800碼（730公尺）的一座鐵塔上，用來大致估測爆炸的衝擊力。核試結束後，Jumbo遺存下來，但那座鐵塔遭毀；人們更加確信Jumbo能夠承受得住閃滅帶來的爆炸衝擊。[228][229]
核試前夕，1945年5月7日，人們進行了一場預爆來校準儀器。一座木製測試平台拔地而起，位於原爆點之上800碼（730公尺）處，上載100短噸（91公噸）的TNT。炸藥中插有核分裂產物，來自漢福德區經過輻照的鈾燃料棒，溶解後填入炸藥里埋的管道中。歐本海默和格羅夫斯的新副手——湯瑪斯·法雷爾准將觀看了此次爆炸。這次預爆為三一核試提供了非常重要的數據。[229][230]
真槍實彈的核試驗用的是名為「小工具」（the gadget）的鈽彈。小工具被懸在一座100英尺（30公尺）高的鐵塔頂端，以便模擬轟炸機投彈時的爆炸高度——核彈在空中爆炸的一大好處是能最大化對目標的能量輸出，同時放射性落下灰較少。小工具由諾里斯·布拉德伯里帶領的團隊組裝，7月13日於麥唐納農場交工，14日被小心翼翼地吊到塔頂。[231]在場的觀看者有布什、查德威克、科南特、法雷爾、格羅夫斯、勞倫斯、歐本海默、費曼和托爾曼，且只有費曼在無護目鏡保護下以肉眼見證全程。當地時間1945年7月16日05:30，小工具被引爆，爆炸當量約為20,000噸TNT，在現場留下一個直徑250英尺（76公尺）、鋪滿玻璃石的巨坑。爆炸產生的蘑菇雲高達7.5英里（12.1公里），超過100英里（160公里）的地方仍有震感，發出的巨響在德克薩斯州艾爾帕索都遠遠可聞。為掩蓋這次核試驗，格羅夫斯對外界通報阿拉莫戈多空軍基地有座軍火庫發生了爆炸事故。[232][233]
歐本海默事後回想起自己在觀看爆炸時，腦海中浮現了印度《薄伽梵譚》第11章第12節的這句：
| “ | कालोऽस्मि लोकक्षयकृत्प्रवृद्धो लोकान्समाहर्तुमिह प्रवृत्तः। ऋतेऽपि त्वां न भविष्यन्ति सर्वे येऽवस्थिताः प्रत्यनीकेषु योधाः॥११- ३२॥ | ” |
數年後他說，當時他還想起另一節句：
我們都知道要變天了。有的人哭，有的人笑，但大部分人緘默著。我想起印度聖歌《薄伽梵譚》中的語句；毗濕奴想要叫阿周那王子擔起自己的使命。為了打動他，毗濕奴變成千手化身，說道：「現在我成為死亡，世界之毀滅者」。我想，當時我們都或多或少是這樣想的吧。[236][注 8]
1944年6月時，曼哈頓計畫在職員工在12.9萬人上下，其中有8.45萬名建築工、4.05萬名工廠操作員和1800名軍事人員。1年後隨著建設工程陸續完工，員工總數量也減少到10萬人左右，但軍事人員增加到5600人。此時戰爭仍在繼續，其他戰時重大軍事項目也需要人手，勞動力一度十分匱乏，高技術人才更是供不應求。[240]1943年，格羅夫斯從戰時勞動力委員會處取得了臨時勞動力優先權。1944年3月，戰時生產委員會和戰時勞動力委員會皆賦予曼哈頓計畫最高優先權。[241]
托爾曼和科南特以科學顧問的身份擬了一份學者名單，交給曼哈頓計畫的現役科學家評價。格羅夫斯隨後去信獲選的科學家所在的公司或機構，請求相關組織讓這些學者加入「軍事要務」活動中。[242]威斯康辛大學麥迪遜分校的斯塔尼斯拉夫·烏拉姆讓其麾下學生寒春提前參加期末考試，讓她能夠離校參與軍事工作。幾周後，烏拉姆收到漢斯·貝特的信，邀請他也一同參與曼哈頓計畫。[243]科南特以個人名義邀請基斯佳科夫斯基加入曼哈頓計畫。[244]
有的技術人才出身於陸軍部隊中，其中陸軍特別訓練項目為曼哈頓計畫培養出一批又一批的人才。1943年，曼哈頓工程區成立了特種工兵分遣隊，額定人數675人，陸軍徵召的所有高級技術人員均被收編其中。陸軍的另一大人力來源是陸軍婦女兵團。最初這些女兵只從事簡單的文書工作，處理一些機密文件，但後來她們也改為接手科技相關任務。[245]1945年2月1日，曼哈頓工程區全體軍事人員，包括特殊工兵分遣隊在內，被編入第9812技術勤務組（9812th Technical Service Unit）；不過洛斯阿拉莫斯軍事人員（包括陸軍婦女兵團和憲兵，不包括特殊工兵分遣隊）則編入第4817勤務指揮組（4817th Service Command Unit）。[246]
史丹佛·瓦倫，羅徹斯特大學醫學院影像診斷學副教授，獲任美國陸軍醫療兵團少校，被指派為曼哈頓工程區醫療部總管、格羅夫斯的醫學顧問。瓦倫的首個任務是在橡樹嶺、里奇蘭和洛斯阿拉莫斯設置醫院、安排醫療人事。[247]醫療部的任務有二：其一是進行醫學相關研究，其二是營運曼哈頓工程區的健康與安全項目。曼哈頓計畫的工作人員平日接觸許多有毒化學物質、有害高壓液體氣體、高電壓、爆炸物，加之當時對核放射線、核分裂材料會造成的健康問題還不了解，醫療部可謂任重道遠。[248]不過在1945年12月，美國國家安全委員會授予曼哈頓計畫傑出安全服務榮譽獎（Award of Honor for Distinguished Service to Safety），以表彰曼哈頓計畫的低事故率。1943年1月至1945年6月間，曼哈頓計畫總共有62人死亡、3,879人傷殘，是同時期私營企業死傷率的62%。[249]
1945年《生活》雜誌發文估計，在廣島和長崎原子彈爆炸之前，「整個國家可能也就幾十個人知道曼哈頓計畫的全部含義，其他知道這項工作涉及到原子的人可能也就千人左右。」該雜誌寫道，該計畫的其他逾十萬員工都「像鼴鼠一樣在黑暗中工作」。工人們眼見著大量的原材料被拉進工廠卻沒有任何東西生產出來，只是監控著「儀器和開關，在厚重的混凝土牆的後面發生著神秘的物理化學反應」，雖不知自己工作的目的是什麼，卻被警告洩露計畫機密將面臨十年監禁或10,000美元（相當於2020年的116,000美元[1]）的罰金。[250][251][252][253][254]
1945年12月，美國陸軍發表了一份秘密報告，分析評估了曼哈頓計畫的保密體系。報告稱，曼哈頓計畫「比其他任何戰爭高機密項目都要更加嚴防死守」。1943年曼哈頓計畫剛開展不久，人們圍繞著計畫部署了大量、完善的保密措施。保密偵查員審查了任何可能接觸到曼哈頓計畫的潛在人員、機構的潛在安全風險，共有40萬名員工和的600家公司受檢。[255]
橡樹嶺的安全部門將所有七人以上的聚會視為行跡可疑；在橡樹嶺居住的人們認為政府安全人員就藏在自己身邊，會避免重複邀請同樣的客人。雖然橡樹嶺的本土居民獲准在現有的墓地下葬，但據說所有的棺材都要打開搜查。[254]在進出廠區時，所有人，包括高級軍官都要被搜身，所搭乘的車輛也要搜一遍。一名橡樹嶺工人稱：「如果你好奇打聽，兩小時內就會被政府特務按到地毯上。那些被傳喚去解釋的人，通常隨後就會捲鋪蓋、被押送到大門口、走人」。[256]
儘管工人們被告知，他們的工作有助於終結戰爭乃至未來的所有戰爭，[256]，但工作過程大多十分乏味枯燥，出了成果也看不見摸不著、自然也談不上理解，工廠甚至連常見的冒煙的煙囪也沒有，而且歐洲戰場的停火也沒用到他們的工作成果，導致士氣低落，流言蜚語四處紛起。一名管理員在戰後稱：
怎麼說呢，工作本身並不難……但很讓人迷惑。你瞧，沒人知道橡樹嶺在生產些啥，我也不知道，好些人覺得自己在這裡純屬浪費時間。我就得給那些不滿意的工人解釋說這是一項非常重要的工作。他們要是再追問工作到底是在幹什麼，我也只能說一切保密。可我自己也搞不懂這一切是在幹啥，都快被這個問題搞瘋了。[253]
另一名工人說自己在洗衣房工作，她每天都要手持「一個特製的儀器」靠近一件件制服，聆聽「咔嗒的聲音」。直至戰後，她才知道她用的是蓋格計數器，檢查衣物中的放射線大小，是一項頗為重要的任務。為了提升這些工人的士氣，橡樹嶺創建了大型內部體育聯賽系統，包括10支棒球隊、81支壘球隊和26支橄欖球隊。[253]
早在曼哈頓計畫之前，就有對有關原子的資訊的自發的審查。1939年歐洲開戰之後，美國科學家開始避免發表軍事相關的研究，1940年科學刊物開始讓國家科學院刪除文章。1940年9月7日，《紐約時報》的威廉·勞倫斯在《星期六晚郵報》發表了一篇關於原子分裂的文章，後來他得知政府在1943年要求全國範圍的圖書館下架那期報紙。[258]不過蘇聯注意到了這一不尋常的安靜。1942年4月，核物理學家格奧爾基·佛雷洛夫給史達林去信提到美國學術期刊上缺少核分裂文章的事，使得蘇聯開始了他們自己的原子彈計畫。[259]
曼哈頓計畫是在嚴格的保密形勢下進行的，以防以德國為首的軸心國集團加速發展他們的自己核武計畫，或者針對曼哈頓計畫偷偷採取對抗行動。[260]美國政府的審查辦公室則採用更為寬鬆的措施，只要求新聞媒體憑自覺遵守審查辦公室發布的出版物指導方法。最初，曼哈頓計畫儘量不聯繫審查辦公室。到了1943年早期，一些報紙基於公開資訊記錄，陸續刊出有關田納西州、華盛頓州出現大規模建設工程的新聞，審查辦公室也開始與曼哈頓計畫商量怎麼做好保密措施。那年6月，審查辦公室通告各報社、廣播電台，避免談及任何有關「原子轟擊、原子能、原子分裂、分裂原子的事情。也不應提及軍用鐳或放射性材料、重水、高壓放電設備和迴旋加速器。「辦公室還強調，對「釙、鈾、鐿、鉿、鏷、鐳、錸、釷、氘」也要避而不談；這些元素中只有鈾是敏感詞，其他的元素都是用來混淆視聽的。[261][262]
人們一直擔心有人會蓄謀破壞，設備工作不正常時也經常引起這方面的懷疑。有時曼哈頓計畫操作員粗心大意或是心情不佳導致計畫出現問題，但從未確認出現過軸心國引發的破壞活動。[263]不過，1945年3月10日，日本的氣球炸彈擊中了一條電纜，引發的電涌導致漢福德區的三座核子反應爐暫時停工。[264]有鑑於涉事人數眾多，安保工作成了一大難題，曼哈頓計畫為此專門成立了反情報特遣隊。[265]1943年，美國確認蘇聯間諜試圖滲透進入曼哈頓計畫。時任美西防衛司令部反情報特遣隊隊長的鮑利斯·帕什中校曾在柏克萊的放射線實驗室偵查疑似蘇聯諜報活動。歐本海默告訴他，曾有柏克萊的教授同事哈康·舍瓦利耶找上門來，和自己說過將資訊透露給蘇聯的事情。[266]
在格羅夫斯看來，最成功的蘇聯間諜當屬英國代表團成員克勞斯·富赫斯，他在洛斯阿拉莫斯扮演了重要角色。[267]1950年，富赫斯是間諜的消息直接挫傷了美國與英國、加拿大的合作關係。[268]隨後其他間諜活動陸續曝光，導致哈利·戈爾德、大衛·格林格拉斯、朱利葉斯和埃塞爾·羅森堡等人被捕。[269]喬治·科瓦爾和狄奧多·霍爾等蘇聯間諜則成功隱瞞了其身份數十年之久。[270]不過，蘇聯原子彈計畫當時缺的主要是鈾礦，間諜活動給蘇聯帶來的實際價值難以評估，學界公認的說法是間諜活動讓蘇聯原子彈研發進程提前了一至兩年。[271]
除了研發原子彈之外，曼哈頓計畫還負責刺探德國核子武器開發計畫的有關情報。當時人們認為，日本的核子武器研究計畫因缺少鈾礦而停滯不前，但德國很可能已經非常接近成功了。在曼哈頓計畫的倡議下，德占挪威秘密發起爆破德軍重水廠行動。[272]海軍情報局、科學研究與開發辦公室、曼哈頓計畫、陸軍情報副參謀長室（G-2）聯袂組建一小隊人馬，代號「阿爾索斯」（Alsos，在希臘語中為「墳墓」之意），負責調查敵方科研進度，該任務除了核子武器外也關注了其他科研情報。[273][274]陸軍情報部長喬治·斯特朗少將指派鮑利斯·帕什指揮阿爾索斯任務。[275]
1944年6月，羅馬被攻占，阿爾索斯在義大利的分隊向羅馬大學物理實驗室工作人員問話。[276]帕什在倫敦還組建了英美阿爾索斯任務聯隊，由霍勒斯·K·卡爾維特（Horace K. Calvert）上尉率領，參與霸王行動。[277]格羅夫斯認為德國人很可能會在諾曼第登陸時動用放射性毒藥，便就此警告德懷特·艾森豪將軍，並派了一名軍官向他的參謀長沃爾特·標德爾·史密斯准將說明情況。[278]美國陸軍化學兵團為此開展代號「薄荷行動」的計畫，準備特殊軍備，並訓練其使用方法。[279]
帕什和卡爾維特還拜謁了弗雷德里克·約里奧-居禮，詢問德國科學家的動向；也會面了上加丹加聯合礦務的高層，問起運向德國的鈾礦。二人了解到，比利時有68噸礦石，法國有30噸。德國戰俘受審時透露，鈾和釷均在柏林北部20英里（32公里）的奧拉寧堡處理，格羅夫斯便下令1945年3月15日炸毀該地。[280]
阿爾索斯任務的另一分隊前往蘇聯占領區的施塔斯富特，從納粹公司WIFO處收繳了11噸礦石。[281]1945年4月，帕什率領一支名為「T工作組」（T-Force）的連隊執行「海灣行動」，橫掃黑興根、畢森根和海格洛赫。這三座城位於敵後方，是德國核能研究的核心地點。T工作組收繳了核能實驗室的文件、設備、物資，其中有重水和1.5噸金屬鈾。[282][283]
阿爾索斯計畫俘獲的德國科學家有庫爾特·迪布納、奧托·哈恩、華瑟·革拉赫、維爾納·海森堡和卡爾·馮·魏茨澤克等。這幾人被押到英格蘭高德曼徹斯特，關入布有監控設備的法爾姆莊。日本核爆發生後，德國人被迫承認盟軍做到了他們無法企及的事情。[284]
自1943年11月起，駐紮在美國俄亥俄州賴特空軍基地的美國陸軍航空軍裝備司令部開始部署「銀盤計畫」，準備讓B-29轟炸機搭載原子彈奔赴前線，並在加利福尼亞州的穆洛克陸軍機場和海軍武器測試中心進行了投彈演習。[285]1944年3月，格羅夫斯與陸軍航空軍司令亨利·阿諾德中將，討論將完成的炸彈運至轟炸目標的相關事宜。[286]瘦子原子彈長達17英尺（5.2公尺），胖子原子彈寬至59英寸（150公分）。盟軍當時唯一既能搭載瘦子原子彈也可搭載胖子原子彈的轟炸機型是英國的蘭卡斯特轟炸機，但讓美國維護保養英軍的飛機很麻煩。[287]幾架改裝後的蘭卡斯特已經在恩斯通機場試飛過幾次，[288]不過格羅夫斯還是想改裝美國的B-29超級堡壘轟炸機，將兩個彈藥艙合併為一艙，以便搭載瘦子原子彈。[287]阿諾德保證自己這邊將傾盡全力配合B-29的改裝工作，並指名奧列弗·P·埃科爾斯少將為陸軍航空軍與曼哈頓計畫的聯絡代表。埃科爾斯本人則舉薦羅斯科·C·威爾遜上校與他輪流擔任此職；後者很快就成了陸軍航空軍在曼哈頓計畫的主要聯絡人。[286]羅斯福總統授意格羅夫斯，若原子彈能在德國戰爭結束前完成的話，就做好將原子彈用在德國戰場上的準備。[289]
1944年12月17日，美軍在溫多弗陸軍機場組建第509混合飛行大隊，由保羅·蒂貝茨指揮。訓練任務是在溫多弗和古巴的巴蒂斯塔陸軍機場進行的，第393轟炸中隊模擬訓練了長距離水上飛行，並使用了改制為空包彈的南瓜炸彈。洛斯阿拉莫斯還組建了代號「阿爾伯塔計畫」的特別小組，作為曼哈頓計畫的一部分來指導投彈過程，由Y計畫的海軍上校威廉·S·帕森斯指揮。[290]1945年2月，阿爾伯塔計畫指揮官費德里科·L·阿什沃斯與海軍五星上將赤斯特·威廉·尼米茲在關島上會面，交流曼哈頓計畫相關事宜。在關島交流期間，阿什沃斯順便選了天寧島上的北部地帶作為第509混合飛行大隊的基地。1945年7月，飛行大隊在該地正式部署。[291]7月30日，法雷爾以曼哈頓計畫代表的身份抵達天寧島。[292]
7月16日，印第安納波利斯號重型巡洋艦載著小男孩原子彈的大部分部件從舊金山啟航，7月26日抵達天寧島。4日後，該艦遭日本潛艦擊沉。剩下的零部件中包括六個鈾-235環，由第509混合飛行大隊320部隊運輸機中隊的三架C-54天空大師負責運輸。[293]飛行大隊用改裝後的B-29運輸了兩枚組裝好的胖子原子彈。首個鈽彈芯在特製的C-54中運抵關島。[294]4月下旬，曼哈頓工程區和陸軍航空軍設立聯合目標委員會，用以決定對日本核打擊的目標城市。委員會推薦的城市有小倉、廣島、新瀉和京都。戰爭部長史汀生插手了這一階段，宣布他將負責決定最終打擊目標，並出於歷史、宗教價值因素將京都排除在外。格羅夫斯於是叫阿諾德將京都從核打擊目標和普通轟炸目標列表中除名。[295]長崎是京都的替代轟炸目標之一。[296]
1945年5月，暫定委員會成立，為戰時和戰後核能的使用建言獻策。委員會主席由史汀生擔任，其他成員還有詹姆士·法蘭西斯·伯恩斯（前參議員，即將就任國務卿，在委員會充當哈里·S·杜魯門總統的個人代表）、拉爾夫·A·巴德（海軍臨時部長）、威廉·克萊頓（助理國務卿）、萬尼瓦爾·布什、卡爾·康普頓、詹姆士·科南特、喬治·L·哈里遜（史汀生助理，紐約生命保險公司總裁）。暫定委員會還設立了科學顧問團，由阿瑟·康普頓、費米、勞倫斯、歐本海默等科學家從學術角度提供建議。在向暫定委員會報告時，科學顧問團不但闡述了原子彈的物理原理，而且還剖析了原子彈在政治、軍事上的意義。[297]
在德國召開的波茨坦會議上，杜魯門獲知三一核試已成功進行。他告訴蘇聯領導人史達林美國已經擁有了新的超級武器，但是沒有透露具體的細節。這是美蘇首次就核彈事宜正式交流，但蘇聯早已經通過自己的諜報網得知了這一情況。[298]當時，美軍已獲授權允許對日本使用原子彈，因而在日本拒絕接受《波茨坦公告》後，美國並未考慮過其他制裁手段。[299]
1945年8月6日，蒂貝茨駕駛著第393轟炸中隊的B-29超級堡壘轟炸機艾諾拉·蓋號自天寧島北部地帶起飛，機上攜有小男孩原子彈。那時的廣島是日軍第2總軍和第5師團總部，也是重要的裝載港口，因而成了美國此輪核打擊的首選目標，小倉和長崎則為備選目標。在法雷爾的批准下，擔任投彈手的帕森斯在機上完成原子彈的最後組裝，以防起飛時發生意外造成核彈爆炸。[300]廣島時間早晨8:15，艾諾拉·蓋號投下這枚9,700英磅（4,400公斤）重的原子彈，隨即迅速調轉機頭以減輕爆炸帶來的衝擊。43秒後，原子彈在1,750英尺（530公尺）的高度引爆，爆炸當量達到了1.3萬噸。目擊者稱見到了令人眼花目眩的強烈白色閃光，隨後是席捲而來的熱浪，以及強烈的衝擊波，整座城市化作一片火海。[301][302]約4.7平方英里（12平方公里）的面積直接被毀。經日本政府統計，廣島69%的建築徹底摧毀，還有6-7%的建築有一定損壞。7萬至8萬人當場死亡，其中有日軍2萬人、朝鮮奴役勞動者2萬人，占廣島總人口30%；另有7萬人受傷。[303][304][305]
1945年8月9日早晨，第393轟炸中隊指揮官查爾斯·W·斯威尼少校駕駛著另一架B-29「博克斯卡號」啟航，載著一枚胖子原子彈飛往第二輪核打擊首選任務地點小倉。胖子原子彈起飛時已組裝好，但依然上著電子保險銷。不料，飛機抵達小倉時，機組人員發現天空濃雲密布，阻擋視線，但上面給出的要求是目視瞄準投彈。博克斯卡號在小倉上空盤旋三圈後燃料吃緊，遂飛往長崎這一備選目標。阿什沃斯決定，若長崎也被雲層遮蓋的話用雷達輔助轟炸也不是不行，不過在最後關頭長崎上空裂開一絲雲縫，機組人員得以按照原定計畫進行目視投彈。長崎時間上午11:02，胖子落在長崎的工業谷中，原爆點南方是三菱鋼鐵及武器集團，北方是三菱-浦上軍械廠。爆炸當量達到了2.1萬噸，和三一核試的當量相近，但衝擊主要集中在浦上山谷之內，大部分城市建築被阻隔在山頭之後，受到波及因而減少，整座城市約44%被毀。轟炸大幅度削弱了長崎的工業生產能力，造成2.32萬至2.82萬日本工人和150名日軍士兵死亡。[306]據估計，此輪核打擊造成3.5萬至4萬人死亡，6萬人受傷。[307][308]
在兩輪轟炸後，格羅夫斯預期在8月19日再進行一次核打擊，9、10月份各自再投下三枚原子彈。[309]當時有兩枚胖子原子彈已經準備就緒，按計畫將在8月11日、14日從科特蘭訓練場運到天寧島。[308]洛斯阿拉莫斯的技工24小時馬不停蹄地趕工出了又一枚鈽彈芯。[310]雖然這枚彈芯已鑄造完成，但還需要壓制、包殼，到8月16日才算徹底完工，[311]能趕得上8月19日的投彈計畫。8月10日，杜魯門總統下達密令，沒有他的授意不得對日本用原子彈。[312]8月13日，格羅夫斯親自叫停這第三枚彈芯的運輸工作。[312]8月15日，日本正式向盟軍投降。[313]
8月11日，格羅夫斯致電瓦倫，想要遣送一隊人馬前往廣島和長崎調查兩地的損傷情況與核放射線度。9月8日，法雷爾和瓦倫率領調查組、攜帶手持蓋格計數器抵達廣島，日本海軍少將都築正男陪同翻譯。他們在廣島四處調查，9月14日離開該市，19日抵達長崎並停留到10月8日。[314]這一系列調查活動同其他赴日科研代表團一起為後世的研究提供了有價值的歷史、科學數據。[315]
歷史界一直未能對「動用原子彈轟炸日本是否有必要」這一問題下定論。有的學者覺得通過開展「原子外交」（用核子武器威脅敵國）沒準也能叫日本投降，蘇聯對日宣戰也許也能結束戰爭。[309]由若干物理學家聯名上書的《法蘭克報告》是核打擊前最著名的一起反核示威行動，但被暫定委員會的科學顧問團否掉了。[316]後來在1945年7月，幾十個曼哈頓計畫的科學家聯署《西拉德請願書》，警示杜魯門總統核子武器背後的意義，但為時已晚。[317][318]
全世界被廣島、長崎這兩起原子彈爆炸震驚到了。曼哈頓計畫的職工見到自己此前晦澀難懂的工作竟然造出了原子彈，同樣吃驚不已；在橡樹嶺，報道廣島原子彈爆炸的報紙賣到了1美元（相當於今天的11.6美元）。[251][262]雖然公眾知道了原子彈的存在，但保密工作仍在進行，好些員工仍不知道自己的工作意義。一名員工在1946年說道：「我不知道我他媽在幹啥，只是見著**，將**，以及**。我什麼也不知道，沒什麼好說的。」許多當地居民繼續對「那東西」閉口不言，哪怕曼哈頓計畫是城鎮興旺起來的原因。[254]
格羅夫斯預料到原子彈最終會用在戰場上，便早早邀請亨利·德沃爾夫·史邁斯撰寫一份可以展示給公眾看的歷史報告。1945年8月12日，《原子能的軍事用途》（常稱《史邁斯報告》）出版發行。[319]格羅夫斯和尼科爾斯向一些重要承包方頒發了陸軍海軍傑出生產獎，這些承包方與計畫的合作關係才首度為人所知。此外，包括布什和歐本海默在內的20名科學家與承包方獲授總統功績勳章。軍方人員則獲授功績勳章，獲授人員包括女子陸軍團分遣隊指揮官，阿琳·G·沙伊登赫姆（Arlene G. Scheidenhelm）上尉。[320]
受到核分裂產物的毒物與石墨減速劑變形（即維格納效應）的影響，漢福德區的B反應爐、D反應爐和F反應爐相繼枯竭，鈽產量也隨之降低。鈾經充電管輻照後可產生鈽，但膨大的石墨損壞了充電管，導致這些設備無法再投入使用。為了向海膽起爆器繼續提供足量的鈹，人們限制了這些反應爐的產量，還關閉了運行時間最久的B堆，確保日後至少還剩一個反應爐能繼續運作下去。科研活動仍在繼續，杜邦和冶金實驗室合作開發出一種氧化還原溶劑提取過程，作為磷酸鉍處理法的鈽提取替代技術——磷酸鉍處理法中，反應結束後剩下的鈾很難再被收集起來。[321]
洛斯阿拉莫斯的Z部（Z Division，名自其主管傑羅德·R·撒迦利亞的姓氏首字母Z）繼續進行著炸彈的設計製造項目。[322]Z部最開始位於溫多弗訓練場，1945年9月遷至新墨西哥州奧克斯納德訓練場，可以和洛斯阿拉莫斯挨得更近些。這標誌著桑迪亞基地的開端。桑迪亞基地附近的科特蘭訓練場是B-29飛機的基地，用於飛行器兼容性測試和跌落測試。[323]該年10月，溫多弗所有的員工、設備都遷到了桑迪亞。[324]預備軍官都被遣散了，取而代之的是約50名上級指定的正規軍官。[325]
尼科爾斯建議關閉S-50熱擴散廠和Y-12電磁分離廠Alpha粒子軌域。[326]雖然Alpha軌域的性能日漸提高[327]，可還是比不上K-25和1946年1月開始運轉的K-27。1945年9月，S-50和Y-12的Alpha軌域停工；12月，整座Y-12停止運作，田納西伊士曼在編員工從8,600人降至1,500人，每月開支減少200萬美元。[326][328]
戰後，洛斯阿拉莫斯遣散人員，導致大批人才流失，然而還有不少工作要做。廣島、長崎用的兩枚原子彈都是實驗室產物，炸彈的設計還需要進一步修改，使其安裝過程精簡、安全、有效。槍式鈾彈比較浪費資源，人們想要一種內爆式鈾彈設計方案取而代之。反應爐出問題後鈽的供給量跟不上，內爆式鈾彈要改用鈾和鈽合成的彈芯。然而，人們不知道洛斯阿拉莫斯實驗室日後會怎樣繼續發展下去，因此有不少人選擇離開。歐本海默回到了他在加州大學的崗位，格羅夫斯便命布拉德伯里暫時接替他的職位，而布拉德伯里在實驗室主管的位置上一干就是25年。[324]因著有人覺得實驗室的便利設施不夠完備，格羅夫斯命人修繕供水系統，又加蓋了300幢房屋和一些娛樂設施。[321]
1946年7月，美國進行十字路口行動，在比基尼環礁引爆了兩枚胖子原子彈，以測試核武對軍艦的打擊威力。[329]美軍在該月1日進行了代號Able的核試，又在25日進行了規模更大的水下核試，代號Baker。[330]
日本遭核打擊後，曼哈頓計畫的部分物理學家認為有必要將原子武器的意義立刻傳達給外界，便成立了《原子科學家公報》編輯部。[331]波耳、布什和科南特等曼哈頓計畫成員清楚核子武器的毀滅性，也預感核軍備競賽即將到來，便主張達成國際核研究和原子武器的控制協議。1946年7日，剛成立不久的聯合國原子能委員會聆聽了巴魯克計畫提出的有關設立跨國原子能研發管理部門的建議，但並未接受議案。[332]美國在就核能項目的永久管理機構問題進行辯論後通過了《1946年原子能法案》，該法成立美國原子能委員會，接管曼哈頓計畫的職能、資產。原子能委員會作為文官機構管理原子能發展事宜，將原子武器的研發、生產、控制權從軍方剝離出來。任何軍方參與的核能項目均交由軍用特種武器計畫來執行。[333]
在與原子能委員會交接控制權時，格羅夫斯向曾經效力曼哈頓計畫的人員道別：
五年前，原子能還只是夢想。你們實現了這一夢想。你們抓住了最為飄渺的想法，將其轉化為現實。你們在無人之地建立起城市。你們建造的工廠生產出的東西，無論是質還是量方面，都是從前遙不可及的目標。你們製造的武器終結了戰爭，更是挽救了無數美國人的性命。你們的貢獻將用於和平時期，讓那新世界的帷幕徐徐升起。[334]
雖然曼哈頓計畫於1946年12月31日正式終止，但曼哈頓工程區一直到1947年8月15日才廢除。[335]
| 用途 | 花費（美元，1945年） | 花費（美元，2020年） | 占比 |
|---|---|---|---|
| 橡樹嶺 | $11.9億 | $138億 | 62.9% |
| 漢福德 | $3.9億 | $45.3億 | 20.6% |
| 特殊操作材料 | $1.03億 | $12億 | 5.5% |
| 洛斯阿拉莫斯 | $7406萬 | $8.6億 | 3.9% |
| 研發 | $6968萬 | $8.09億 | 3.7% |
| 政府經常性開支 | $3726萬 | $4.32億 | 2.0% |
| 重水廠 | $2677萬 | $3.11億 | 1.4% |
| 總計 | $18.9億 | $219億 |
截至1945年10月1日，曼哈頓計畫總支出18.45億美元，相當於交戰時不到九天的開銷；美國原子能委員會在1947年1月1日接管時，計畫的總支出達到了21.91億美元。曼哈頓計畫的預算總額為24億美元，其中90%以上的開銷是在建造工廠、製造可分裂材料上，不到10%的開銷是用在研發核子武器上。[337][338]
截至1945年底，曼哈頓計畫共生產出四枚核子武器——三一核試用的小工具、廣島用到的小男孩、長崎用到的胖子和一枚未使用的胖子核彈，平均每個核子武器花費約5億美元。相比之下，這個項目截至1945年年底的總開支幾乎是美軍生產輕武器（不包括軍火）總開支的90%，和美軍用於戰車總開支的34%。[336]曼哈頓計畫是美國二戰期間花費第二高的武器研究計畫，僅次於波音B-29超級堡壘轟炸機的設計製造項目。[339]
研發核子武器給美國帶來了深遠的政治、文化影響。《紐約時報》的威廉·勞倫斯在報道中首次使用了「原子時代」一詞[340]，在1945年春成為曼哈頓計畫的官方聯絡代表。1943年至1944年間，勞倫斯一直在試圖說服審查辦公室，讓他們同意自己在報道中提到鈾的易爆潛能的事情，但一直未能成功；不過，政府當局認為勞倫斯表現良好，授權他報道二戰期間這一最大的軍事機密。勞倫斯在現場觀摩過三一核試[341]和長崎原子彈轟炸經過，還為這兩次事件寫過新聞通稿，後來又發布了一系列的文章來讚揚新武器的優越性。這些在轟炸日本前後發表的報道讓公眾知曉了核能技術的潛力，也刺激了該課題在美國和蘇聯的發展。[342]
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誕生於戰火之中的曼哈頓計畫為後世留下了一系列國家實驗室：勞倫斯柏克萊國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室和埃姆斯實驗室。戰後不久，格羅夫斯又設立了紐約厄普頓的布魯克海文國家實驗室和新墨西哥阿布奎基的桑迪亞國家實驗室。1946-1947財年間，格羅夫斯向這些實驗室撥款共計7200萬美元用作研究經費。[347]這些實驗室開創了大規模科研活動的先河，橡樹嶺國家實驗室主管阿爾文·溫伯格稱之為「大科學」。[348]
美國海軍研究實驗室早就盼著用核子動力推進戰艦了，他們想要給自己的核能研究計畫立項。不過1946年5月，時任海軍作戰部長尼米茲認為海軍應與曼哈頓計畫合作。一群海軍軍官獲派進入橡樹嶺，其中軍階最高的是海曼·里科弗上校，他日後成為橡樹嶺的助理主管。這些軍官刻苦鑽研核能，為後來的核子動力海軍打下良好的基礎。[349]航空軍在1946年9月向橡樹嶺派了些人發展核子動力式飛機[350]，只是他們的飛機核能推進計畫遇到了嚴重的技術困難，只得以取消告終。[351]
有的同位素在自然界中十分罕見，用核子反應爐大規模生產的同位素為核醫學帶來技術上的空前突破。1946年的年中，橡樹嶺接到了一些醫院和大學的請求，開始派送放射性同位素，其中大部分為用於診斷、治療癌症的碘-131和磷-32。除了醫藥領域外，這些同位素也應用到了生物、工業和農業等研究活動之中。[352]
2014年，美國國會通過一項法案，批准建立一座紀念曼哈頓計畫歷史的國家歷史公園。[353]2015年11月10日，曼哈頓計畫國家歷史公園落成。[354]
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