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"[12] dưới tác động của Trận Trân Châu Cảng, theo sau đó là Hoa Kỳ tuyên chiến với Nhật Bản và với Đức Quốc xã.[13] 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.[14] Murphree cũng từng đứng đầu một dự án phân tách bất thành từ ly tâm pha hơi.[15]

Trong khi đó, có hai dòng nghiên cứu hướng vào công nghệ lò phản ứng hạt nhân, với Harold Urey tiếp tục nghiên cứu về nước nặng ở Columbia, trong khi Arthur Compton đem nhóm khoa học gia ở Đại học Columbia và Đại học Princeton tới nghiên cứu tại Đại học Chicago nơi ông tổ chức nên Phòng thí nghiệm Luyện kim vào đầu năm 1942 để nghiên cứu plutoni và các lò phản ứng sử dụng than chì làm chất điều hòa neutron.[16] Briggs, Compton, Lawrence, Murphree, và Urey họp vào ngày 23 tháng 5 năm 1942 để hoàn tất các khuyến nghị của Ủy ban S-1, kêu gọi nỗ lực cho năm công nghệ chính cần theo đuổi. Khuyến nghị này được Bush, Conant, và Chuẩn tướng Wilhelm D. Styer, Tham mưu trưởng Cục Quân nhu dưới quyền Thiếu tướng Brehon B. Somervell, người được chỉ định là đại diện của Lục quân trong các vấn đề hạt nhân, tán thành.[14] Bush và Conant sau đó đem khuyến nghị tới Nhóm Chính sách Cao cấp với một dự án ngân sách chi 54 triệu đô la cho việc xây dựng tới Đoàn Công binh Lục quân Hoa Kỳ, 31 triệu đô la cho nghiên cứu và phát chiến tới OSRD và 5 triệu đô la quỹ dự phòng cho năm tài khóa 1943. Nhóm Chính sách Cao cấp duyệt gửi cho Tổng thống ngày 17 tháng 6 năm 1942 và ông đã phê chuẩn với dòng chữ duyệt "OK FDR" trên văn bản.[14]

Quan niệm thiết kế bom

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.[17] 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.[18] 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.[19]

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.[20] Ngay cả đến tháng 12 năm 1943, tổng khối lượng plutoni thu được chỉ là 2 miligram.[21] 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.[22] 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.[23]

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.[24] 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.[25] 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.[chú thích 1] Bethe tính toán cho thấy điều đó không thể nào xảy ra[27] 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."[28] 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".[chú thích 2]