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曼哈顿计划作的第二手准备是另一种可裂变的元素——钚。虽然自然界中也存在一些天然的钚，但若想大量获取钚，最简单的方式还是在核反应堆里用中子轰击天然铀。铀-238通过核嬗变变为铀-239，之后很快衰变，先变成镎-239，然后变成钚-239。[175]但整个过程中能最终变成钚的铀只有一小部分，所以必须要用化学方法把钚从残留的铀、原料中的杂质和核裂变产物里分离出来。[175]
X-10石墨反应堆
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主条目：X-10石墨反应堆
工人正在将铀燃料棒装填入X-10石墨反应堆
1943年3月，杜邦开始在橡树岭建设一座112英畝（0.5平方公里）的钚厂，作为在汉福德区大规模生产钚的试验工厂。该厂内拥有空气冷却的X-10石墨反应堆、化学分离厂和一些辅助设施。后来人们决定在汉福德区修建水冷反应堆，因此只有化学分离厂真正起到了先导工厂应有的作用。[176]X-10石墨反应堆有一块长宽高均为24英尺（7.3米）的石墨块，总重1,500短噸（1,400公噸），包裹在7英尺（2.1米）厚的高密度混凝土中减小辐射。[176]
该反应堆面临的最大挑战是万灵科和金属氢化物公司生产的铀燃料棒。这些燃料棒需要镀铝防止腐蚀，同时也能避免裂变燃料进入冷却系统中。格拉塞利化学公司（Grasselli Chemical Company）想要研制一种热浸处理法但并未成功。美铝还尝试了包壳法。他们开发了一种无焊剂焊接法，有97%的包壳都通过了标准真空测试，但高温测试的失败率超过50%。尽管如此，1943年6月，生产线还是开始运作了。冶金实验室在通用电气的帮助下改善了焊接技术，在1943年10月应用到生产线上。[177]
在费米和康普顿的监视下，X-10石墨反应堆于1943年11月4日达到临界值，用了大约30短噸（27公噸）的铀。一周后，核反应堆负荷量升至36短噸（33公噸），功率升至500kW，月末时产出500毫克钚。[178]人们不断地完善技术，到了1944年反应堆功率已达到4,000kW。X-10作为生产工厂一直运转到了1945年1月，后改为科研活动之用。[179]
汉福德反应堆
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主条目：汉福德区
橡树岭为了赶工期用给反应堆用了气冷，但大规模生产中这一冷却方法并不可取。冶金实验室和杜邦最开始想用氦冷，但后来为了省钱省时省力而改用水冷。[180]水冷的设计方案在1943年10月4日才正式完成，在此之前富兰克林·马赛厄斯一直忙着修缮汉福德区，建住房、修路、造支路铁轨，还升级了电缆、水管和电话线。[181]
鸟瞰汉福德区B反应堆所在地，1944年6月
和在橡树岭遇到的困难类似，1944年3月汉福德在开始包壳铀燃料棒时遇到了重重挑战。这些铀燃料棒均经过酸洗去除泥土等杂质，又浸过融化的铜、锡和铝硅合金（英语：silumin），再用液压机压过，并在氩气中用電弧焊封住焊口，最后再经过重重测试，确保没有焊接问题。最开始燃料棒合格率极低，每天只有寥寥数根能通过测试。不过1944年6月燃料棒质量稳步上升，看情况似乎能赶得上原定1944年8月启用的B反应堆。[182]
1943年10月10日，B反应堆大楼动工。B反应堆是计划修筑的六座250MW核反应堆中最先动工的一个。[183]这些核反应堆从A到F以英文字母编号，其中B、D、F最先开工，以便给各反应堆之间预留最大的空间。曼哈顿计划期间也只修了这三座反应堆。[184]
1944年2月，人们开始修筑B反应堆本身。[185]1944年9月13日，在康普顿、马赛厄斯、杜邦的克劳福德·格林沃尔特（英语：Crawford Greenewalt）、利昂娜·伍兹的见证下，费米向B反应堆中插入第一根燃料棒，就此启动核反应堆。在接下来的几天中核反应堆陆续填入838根燃料棒，达到临界值。9月27日午夜钟声敲响后不久，操作员开始从反应堆中抽出控制棒，让反应堆进入生产模式。一开始一切运转良好，但在凌晨03:00左右输出功率开始下降，06:30时核反应堆完全罢工。工作人员检查冷凝水，确保没有泄漏或污染事故发生。翌日反应堆再度启动，孰料反应堆再度停摆。[186][187]
费米将情况告诉了吴健雄，她指出问题应该出自中子毒物，由半衰期9.2小时的氙-135造成。[188]费米、伍兹、唐纳德·J·休斯（英语：Donald J. Hughes）和約翰·惠勒经过一通计算，发现氙-135的核截面（英语：nuclear cross section）是铀的3万倍。[189]杜邦工程师乔治·格雷夫斯（George Graves）对冶金实验室的原设计做了一些修改——原设计将1,500根管道排列成一个圆，格雷夫斯又额外向其中加了504根管道来填满剩余的边边角角。科学家们最开始认为这一设计过度工程化，费时又费钱，但费米留意到这全部2,004根管能够让反应堆达到生产钚所需要的功率级别。[190]1944年12月17日，D反应堆启动；1945年2月25日，F反应堆启动。[191]
分离元素
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汉福德区的地图，横贯其中的铁路将该区分作南北两侧。最靠北的三个红方块是核反应堆，位于哥伦比亚河畔。分离工厂是核反应堆所在的建筑群中最靠南侧的两个红方块。图中右下角的红方块代表300区
与此同时，化学家们在不了解钚的化学性质的情况下已开始思忖如何将其从铀中分离出来。1942年，查尔斯·M·库珀（Charles M. Cooper）带领的团队在冶金实验室用极少量的钚研发出氟化镧处理法（英语：fluoride selective electrode）用来分离那两种元素，该法后来被用到了先导分离工厂中进行试验。随后，西博格和斯坦利·G·汤姆森（Stanly G. Thomson）发明了另一种分离法磷酸铋处理法，[192]可利用磷酸铋溶液将钚的氧化数在+4和+6之间切换。氧化数+4时，钚会沉淀；氧化数+6时，钚溶于溶液，而其他物质会沉淀。[193]格林沃尔特因氟化镧有腐蚀性而更喜欢磷酸铋处理法，该法获选为汉福德化工厂使用的元素分离法。[194]X-10开始产钚后，先导工厂旋即进入试验阶段。第一批次的生产效率只有40%，但后几个月效率逐步升高至90%。[179]
在汉福德，曼哈顿计划最首要的任务是修筑300区的设施。该区有存放测试材料的仓库、制备铀的工厂和组装校准仪器的工间。有一幢楼用来存放铀燃料棒的包壳设备，另外有一幢修有一座小型核反应堆。尽管300区享有高优先级，但该区设施独特复杂，再加上战时人手紧缺、物资不足，导致工期被延误。[195]
汉福德原定在名为“200西区”和“200东区”的两块区域中各建两座分离工厂，后改为在200西区修建“T厂”和“U厂”，在200东区只建一座“B厂”。[196]每座分离工厂都由四幢建筑构成：处理装置楼（编号221，也被称为“峡谷（canyon）”）、浓缩楼（编号224）、净化楼（编号231）和军火库（编号213）。“峡谷”长800英尺（240米），宽65英尺（20米），有40个17.7×13×20英尺（5.4×4.0×6.1米）的处理器。[197]
1944年1月，221-T厂和221-U厂动土，并先后在9月、12月竣工。221-B厂也在1945年3月完工。这些厂房由于辐射过强，工人必须要通过1943年时还闻所未闻的闭路电视遥控操作一切生产活动，维护修缮工作也是通过桁架吊车和特制工具进行。各厂224楼因需要处理的原料相对较少所以体积也更小，辐射也更弱。224-T楼和224-U楼在1944年10月8日完工，224-B楼则是在1945年2月10日完工。1944年4月8日231-W开始施工时，科学家们还没有敲定净化处理方法，不过年末时工厂竣工，净化处理的方法也选定下来。[198]1945年2月5日，马赛厄斯在洛杉矶亲手将首批80克纯度95%的硝酸钚递交给洛斯阿拉莫斯的物流人员。[191]
武器设计
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主条目：Y计划
瘦子原子弹的外壳，排成一排。胖子原子弹的外壳在后面
1943年时，科学家们想要用钚用于枪式裂变武器「瘦子」。早期对钚的性质研究用的是回旋加速器生成的钚-239，纯度高但是产量低。1944年4月，洛斯阿拉莫斯收到了X-10反应堆的首份钚样品。几天后，埃米利奥·塞格雷便注意到了问题——反应堆增殖的钚中，钚-240的含量比回旋式加速器的要高，可导致自发性反应速率增大到原估的五倍。[199]西博格早在1943年3月便已算到部分钚-239会吸收一个中子变为钚-240。[200]
这一发现导致反应堆增殖钚无法用在枪式武器上。钚-240会引发闪灭（英语：fizzle (nuclear explosion)）现象——链式反应提前开始，导致先期爆炸，释放的能量会炸散核燃料，致使只有少部分钚参与反应。人们又提出过一种更快的枪式构型，但试验结果不尽如人意。科学家也想过分离同位素的事情，但是钚的这两个同位素比铀-235和铀-238还难分离，因而不得不作罢。[201]
与此同时，另一种内爆式的核裂变武器的研发工作在物理学家赛斯·内德迈尔（英语：Seth Neddermeyer）的领导下如火如荼地进行着。其原理是将未达到临界值的裂变材料置于球形容器中，再用炸药将其向内压缩，使其体积变小、密度增大。随着原子间距离越来越小，中子俘获的速率会越来越大，质量也会达到临界值。鉴于这里核原料移动距离很短，内爆式核武器达到临界值的速度比枪式核武器要快得多。[202]内德迈尔在1943年至1944年年初对内爆式核武器的研究成果颇为喜人，但研究结果也显示内爆式的构型设计从理论角度和应用角度都十分复杂。[203]1943年9月，对穿甲弹锥形装药小有研究的约翰·冯·诺伊曼认为，内爆弹不但会降低闪灭和先期爆的风险，还能高效利用裂变材料。[204]他还提出用一种球型的炸弹结构来取代内德迈尔设计的柱形炸弹。[205]
内爆式核武器的结构示意图
1944年7月，奥本海默决心放弃枪式钚弹设计，转为采用内爆式钚弹。8月，奥本海默大幅调整洛斯阿拉莫斯实验室的人手，紧锣密鼓地专攻内爆式设计，代号“胖子”。[206]洛斯阿拉莫斯新成立了两个实验小组负责研发内爆式炸弹，其中X组（X表示“explosives”，即“炸药”）由炸药专家乔治·基斯佳科夫斯基负责，G组（G表示“gadget”，即“小工具”）由罗伯特·巴彻负责。[207][208]纽曼和T组（T表示“theoretical”，即“理论”；鲁道夫·佩尔斯在此中十分活跃）的设计利用爆炸透镜（英语：explosive lens）的原理，慢性高爆炸药和快性高爆炸药两相结合，将爆炸集中在一个球面上。[209]
然而，设计过程中一波三折，进展缓慢。透镜设计要求透镜形状和速度均在合适的范围内。[209]人们测试了若干种不同的炸药，最后选定B炸药为快性炸药，巴拉托（英语：baratol）为慢性炸药。[210]最终的设计成果形似足球，共有20个六边形透镜、12个五边形透镜，每个透镜重约80磅（36公斤）。引爆过程还要用到高速、可靠、安全的电气式雷管，保险起见每面透镜上都装了两支。[211]路易斯·阿尔瓦雷茨带领一组科学家在洛斯阿拉莫斯实验室专门为此设计了电桥式电雷管，生产雷管的工作则由雷神公司完成。[212]
罗伯特·瑟伯尔提出了RaLa测试，利用镧的短寿命放射性同位素、强伽马射线源——镧-140，来研究汇聚冲击波。试验将该伽马射线源置于金属球体正中央，球体外套上一层爆炸透镜，再放在电离室（英语：ionization chamber）中，便于科学家录下内爆产生的X光的轨迹。爆炸透镜主要是通过RaLa测试来一步步设计完善的。[213]大卫·霍金斯（英语：David Hawkins (philosopher)）在给洛斯阿拉莫斯撰写的史书中写道：“RaLa是对炸弹设计终稿影响最大的单一实验。”[214]
炸药内部装有4.5英寸（110毫米）厚的铝填层，可从低密度炸药平缓过渡到3英寸（76毫米）厚的天然铀层。其主要功能是将临界质量汇聚一起越久越好，但也能将中子反射回核心层中。为了避免外部中子造成先期爆炸，铀层外还镀了层薄薄的硼。[211]人们还研制了钋-铍调制中子起爆器（英语：modulated neutron initiator），因外观类似而被称作“海胆”，[215]可在规定的时刻精准引发链式反应。[216]该工程后成为“代顿计划（英语：Dayton Project）”的一部分。代顿计划由孟山都的查理斯·艾伦·托马斯（英语：Charles Allen Thomas）统筹，其中还有对放射性钋的化学性质、冶金方法的研究。[217]测试每月需要高达500居里的钋，由孟山都负责提供。[218]组装好的炸弹被装入杜拉鋁制的炸弹外壳中，以防遭子弹、高射炮击中而造成问题。[211]
洛斯阿拉莫斯工作人员在远距离处理RaLa测试要用到的一千居里放射源——放射性镧
冶金学家的终极任务是研究如何将钚铸成球体。很快，科学家们遇到了一些问题——运来的钚总是测出不尽相同的密度。最开始人们以为有杂质混入，但后来发现是因为钚中掺了多种同素异形体。[219]在室温下，钚处于α阶段，此时钚易碎、不易形变；稍稍加温后，钚会进入可塑性较好的β阶段；加热到300 °C－450 °C时钚会进入δ阶段，可塑性进一步提高，此阶段若掺入铝、融成钚铝合金的话，钚可在室温下达到稳定状态。然而，铝在被α粒子轰击时会释放中子，进而恶化先期爆炸的问题。冶金学家随后想到了钚镓合金，该合金在δ阶段十分稳定，可热压（英语：hot pressing）成球状。此外，人们还发现钚易腐蚀，便在球面上镀了一层镍。[220]
这一工作流程危险重重。战争结束时，一半的化学家和冶金学家因尿检测出超量钚元素而被迫退居二线。[221]1945年1月洛斯阿拉莫斯的一场小火灾让人们担心若实验室再度起火，整座小镇都可能遭污染。格罗夫斯下令新修一座工厂“DP地点”（DP-site），专门用于钚的化学处理和冶金提炼。[222]
1945年7月2日，首个钚弹芯半球完工交付。7月23日，洛斯阿拉莫斯又生产出三个半球，三天后完成交付。[223]
三位一体
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主条目：三位一體 (核試驗)
鉴于内爆式武器设计之复杂，人们决定哪怕浪费得来不易的核材料也要先进行一场核试验。格罗夫斯在要求能够确保核材料供应充足的前提下批准了核试验的决定。至于核试验的规模，一开始人们只计划进行可控闪灭，但奥本海默决定来一场全面核试验，代号“三位一体”。[224]
“小工具”要用到的炸药正在升入塔顶，进行最后的组装工作
1944年3月，哈佛大学物理教授肯尼斯·班布里奇获令进行核试验的筹组工作，并受基斯佳科夫斯基的领导。班布里奇将阿拉莫戈多空军基地（英语：Alamogordo Army Airfield）附近的靶场作为核试验地点。[225]班布里奇与海军上校塞缪尔·P·达瓦洛斯（Samuel P. Davalos）合作建设三一核试的大本营和其周遭的设施，有军营、仓库、车间、爆炸物弹药库、军营杂货店等。[226]
有鉴于核试验用到的钚价值达10亿美元，一旦核试验失败，格罗夫斯就要在参议院的特派委员会前费心解释为何10亿美元会白白付之东流。于是，人们制造了一个代号“Jumbo”（意为“特大号”）的容器，在核试验失败时能将剩余的活性核材料回收。Jumbo长25英尺（7.6米），宽12英尺（3.7米），由巴布柯克-威爾科斯公司在俄亥俄州巴伯顿市用214短噸（194公噸）的钢铁铸就，用特制火车经侧线运至新墨西哥州，最后25英里（40公里）载在拖车上用两辆拖拉机拉向核试地点。[227]不过，当Jumbo运抵现场时，人们对内爆式核武器信心满满，加之钚供应量充足，奥本海默便决定不用Jumbo，而是将其吊在了距离爆炸中心点800碼（730米）的一座铁塔上，用来大致估测爆炸的冲击力。核试结束后，Jumbo遗存下来，但那座铁塔遭毁；人们更加确信Jumbo能够承受得住闪灭带来的爆炸冲击。[228][229]
核试前夕，1945年5月7日，人们进行了一场预爆来校准仪器。一座木制测试平台拔地而起，位于原爆点之上800碼（730米）处，上载100短噸（91公噸）的TNT。炸药中插有核裂变产物，来自汉福德区经过辐照（英语：Irradiation）的铀燃料棒，溶解后填入炸药里埋的管道中。奥本海默和格罗夫斯的新副手——托马斯·法雷尔准将观看了此次爆炸。这次预爆为三一核试提供了非常重要的数据。[229][230]
真枪实弹的核试验用的是名为“小工具”（the gadget）的钚弹。小工具被悬在一座100英尺（30米）高的铁塔顶端，以便模拟轰炸机投弹时的爆炸高度——核弹在空中爆炸的一大好处是能最大化对目标的能量输出，同时放射性落下灰较少。小工具由诺里斯·布拉德伯里带领的团队组装，7月13日于麦克唐纳农场（英语：McDonald Ranch House）交工，14日被小心翼翼地吊到塔顶。[231]在场的观看者有布什、查德维克、科南特、法雷尔、格罗夫斯、劳伦斯、奥本海默、費曼和托尔曼，且只有費曼在無護目鏡保護下以肉眼見證全程。当地时间1945年7月16日05:30，小工具被引爆，爆炸当量约为20,000吨TNT，在现场留下一个直径250英尺（76米）、铺满玻璃石的巨坑。爆炸产生的蘑菇雲高达7.5英里（12.1公里），超过100英里（160公里）的地方仍有震感，发出的巨响在德克萨斯州艾爾帕索都远远可闻。为掩盖这次核试验，格罗夫斯对外界通报阿拉莫戈多空军基地有座军火库发生了爆炸事故。[232][233]
三位一体核试验引爆了人类史上首个核武器
奥本海默事后回想起自己在观看爆炸时，脑海中浮现了印度《薄伽梵歌》第11章第12节的这句：
“
कालोऽस्मि लोकक्षयकृत्प्रवृद्धो लोकान्समाहर्तुमिह प्रवृत्तः। ऋतेऽपि त्वां न भविष्यन्ति सर्वे येऽवस्थिताः प्रत्यनीकेषु योधाः॥११- ३२॥
千百烈日当空争辉，或许可与至尊者那宇宙形象中的光芒相提并论。[234][235]
”
数年后他说，当时他还想起另一节句：
我们都知道要变天了。有的人哭，有的人笑，但大部分人缄默着。我想起印度圣歌《薄伽梵歌》中的语句；毗湿奴想要叫阿周那王子担起自己的使命。为了打动他，毗湿奴变成千手化身（英语：Vishvarupa），说道：“现在我成为死亡，世界之毁灭者”。我想，当时我们都或多或少是这样想的吧。[236][注 8]