Hướng phát triển thứ hai mà Dự án Manhattan theo đuổi sử dụng nguyên tố phân hạch plutoni. Mặc dù trong tự nhiên tồn tại một lượng nhỏ plutoni, cách tốt nhất để thu được một lượng lớn nguyên tố này là một lò phản ứng hạt nhân, trong đó urani tự nhiên bị neutron bắn phá. Urani 238 được chuyển hóa thành urani-239, đồng vị này phân rã nhanh chóng, đầu tiên thành neptunium-239 và sau đó là plutoni-239[156] Chỉ một lượng nhỏ urani-238 chuyển hóa, do đó cần phải phân tách plutoni tạo thành khỏi lượng urani còn dư, các tạp chất ban đầu, cũng như các sản phẩm phân hạch khác.[156]

Lò phản ứng Than chì X-10

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 112 mẫu Anh (0,5 km2) 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.[157] Lò phản ứng Than chì X-10 bao gồm một khối than chì khổng lồ, dài 24 foot (7,3 m) mỗi chiều, nặng chừng 1.500 tấn Anh (1.500 t), bao quanh bởi 7 foot (2,1 m) bê tông đặc đóng vai trò lá chắn bức xạ.[157]

Khó khăn lớn nhất là vấn đề các thanh urani sản xuất bởi Mallinckrodt và Metal Hydrides. Chúng bằng cách nào đó phải được phủ một lớp nhôm để tránh bị ăn mòn cũng như tránh sản phẩm phân hạch thoát ra rơi vào hệ thống làm nguội. Công ty Hóa chất Grassselli thử phát triển một quá trình nhúng nóng nhưng bất thành. Trong khi đó Alcoa thử phương pháp giống như đóng hộp. Một quá trình mới để hàn không chảy được phát triển, và 97% số hộp vượt qua một phép kiểm tra chân không tiêu chuẩn, nhưng bài kiểm tra nhiệt độ cao cho thấy tỉ lệ thất bại lớn hơn 50%. Tuy nhiên, việc sản xuất vẫn bắt đầu tháng 6 năm 1943. Phòng thí nghiệm Luyện kim cuối cùng phát triển được một kĩ thuật hàn cải tiến với sự giúp đỡ của General Electric, kĩ thuật này được đưa vào quá trình sản xuất từ tháng 10 năm 1943.[158]

Dưới sự giám sát của Fermi và Compton, Lò phản ứng Than chì X-10 đạt điểm tới hạn vào ngày 4 tháng 11 năm 1943 với khoảng 30 tấn Anh (30 t) urani. Một tuần sau lượng urani tăng lên 36 tấn Anh (37 t), nâng công suất phát của nó lên 500 kW, và tới cuối tháng 500 miligam (0,018 oz) plutoni đã được chế tạo.[159] Những hiệu chỉnh theo thời gian đã giúp tăng công suất lên 4000 kW tháng 7 năm 1944. X-10 hoạt động như một nhà máy sản xuất cho tới tháng 1 năm 1945, khi nó chuyển sang các hoạt động nghiên cứu.[160]

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.[161] 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.[162]

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.[163]

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.[164] 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.[165] Chừng 390 tấn Anh (400 t) thép, 17.400 yard khối (13.300 m3) bê tông được dùng để xây dựng tòa nhà cao 120 foot (37 m).

Việc xây dựng lò phản ứng bắt đầu tháng 2 năm 1944.[166] 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.[167][168]

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.[169] 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.[170] 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.[171] 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.[172]

Quá trình phân tách

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.[173] Quá trình này diễn ra bằng cách chuyển plutoni giữa các trạng thái ôxi 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.[174]

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.[175] 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%.[160]

Ở Hanford, ưu tiên cao nhất ban đầu dành cho việc thiết đặt khu vực 300. Khu vực này bao gồm các tòa nhà để kiểm tra vật liệu, chuẩn bị urani, và lắp ráp và hiệu chỉnh thiết bị. Một trong các tòa nhà chứa các thiết bị đóng hộp cho các thành urani, trong khi một nhà khác chứa một lò phản ứng chạy thử cỡ nhỏ. Bất chấp ưu tiên cao dành cho nó, công việc trên khu vực 300 tụt lại so với lịch trình do bản chất đặc biệt và phức tạp của các cơ sở bên trong nó, cũng như sự thiếu thốn nhân và vật liệu thời chiến.[176]

Các kế hoạch ban đầu dự định xây hai nhà máy phân tách ở các khu vực được gọi là 200-Đông và 200-Tây. Điều này về sau thu hẹp lại thành xây dựng những hai nhà máy nhỏ T và U ở 200-Tây và nhà máy B ở 200-Đông.[177] Mỗi nhà máy phân tách bao gồm 4 tòa nhà: một nhà chứa buồng xử lý hay có biệt danh là "hẻm núi" (ký hiệu 221), một nhà ngưng tụ (224), một nhà làm sạch (231) và một nhà kho (213). Các "hẻm núi" mỗi tòa dài 800 foot (240 m) và rộng 65 foot (20 m), chứa 40 buồng kích thước 17,7 nhân 13 nhân 20 foot (5,4 nhân 4,0 nhân 6,1 m).[178]

Công trình bắt đầu ở 221-T và 221-U vào tháng 1 năm 1944, trong đó 221-T hoàn thành vào tháng 10 còn 221-U hoàn thành vào tháng 12. Tòa nhà 221-B tiếp nối chúng vào tháng 3 năm 1945. Bởi lượng phóng xạ cao ở đó, tất cả công việc trong các nhà máy phân tách phải được thực hiện bằng điều khiển từ xa sử dụng truyền hình mạch đóng, một thứ thế giới bên ngoài chưa biết tới vào năm 1943. Việc bảo trì thực hiện với sự giúp đỡ của một đầu cần trục và các dụng cụ thiết kế đặc biệt cho mục đích đó. Các tòa nhà 224 nhỏ hơn bởi chúng có ít vật liệu để xử lý hơn, và độ phóng xạ cũng ít hơn. Các tòa nhà 224-T và 224-U được hoàn thành ngày 8 tháng 10 năm 1944, và 224-B theo sau đó vào ngày 10 tháng 2 năm 1945. Khi việc xây dựng bắt đầu vào ngày 8 tháng 4 năm 1944, người ta chưa rõ phương pháp làm sạch nào cuối cùng sẽ được sử dụng nhưng nhà máy đã hoàn thành và các phương pháp được lựa chọn vào cuối năm đó.[179] Ngày 5 tháng 2 năm 1945, Matthias mang tận tay một lượng 80 gam (2,6 ozt) plutoni nitrat 95% tinh khiết đầu tiên tới một người đưa thư cho Los Alamos ở Los Angeles.[172]