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  1942年初,美國科學家就對製造原子彈的理論,研究方向,預算和時間有大概的估計。在重核元素分離方面,有加州大學伯克利分校的勞倫斯團隊研究電磁分離法,哥倫比亞大學的埃格爾·默弗裡和傑西·比姆斯研究小組研究氣體擴散法,華盛頓卡內基研究所的菲利普·阿伯爾森研究熱擴散法。 在核反應堆技術方面,哥倫比亞大學的哈羅德·尤里研究重水,阿瑟·康普頓則指導他手下的科學家在哥倫比亞大學、芝加哥大學和普林斯頓大學建設的冶金實驗室研究用鈽和石墨作為中子慢化劑的反應堆。 但是這個專案整體過於龐大遠遠超過了美國科研機構的能力範圍,唯有使其轉向軍事研究且賦予最高優先順序,才有可能在戰爭結束前完成原子彈製造。 1942年3月9日布什和科南特向美國頂級決策小組呈交了一份總值為9000萬美元的計劃預算(5400萬美元用於美國工程兵部隊修建實驗設施,3100萬美元用於OSRD進行的研究,500萬美元的1943財政年的緊急撥款),該報告被呈至羅斯福總統並被立即批准執行。

  以現在來的眼光來看,原子彈的設計原理是使處於亞臨界狀態的裂變裝料瞬間達到超臨界狀態,有兩種基本方式,即內爆式和槍式。內爆式是依靠處於亞臨界質量的裂變裝藥外層的重元素反射層(主要為鈾-238)外層高能炸藥爆炸產生的內轟聚爆波壓縮內層使其密度驟然增大達到超臨界質量。而槍式是將2-4塊處於亞臨界狀態的裂變材料通過化學炸藥爆炸而迅速合攏達到超臨界狀態。  而在1943年,槍式和球形原子彈的設計理念已經被格倫·西博格和他的團隊探討過了,而且奧本海默等人也開始對快中子計演算法計算臨界質量的研究,同時奧本海默和伊利諾伊大學的羅伯特·瑟伯爾也研究了關於中子如何進入核鏈式反應以及由鏈式反應產生的爆炸衝擊波的具體形式。

  可見,曼哈頓計劃開始之前,計劃的各種前沿研究已經展開而且各方面都有進展,除了一些需要進一步實驗進行驗證和研究的理論以外,大部分策劃都已經完成,因此從可行性層面上講曼哈頓計劃是完全沒問題的。

  

  1942年6月的這一計劃工程中,軍力部分的主要是由工程師尤金·雷博爾德准將,陸軍上校的詹姆斯·馬歇爾領導。馬歇爾在華盛頓建立了一個聯絡部,他把臨時的指揮部設在紐約。在那裡他可以得到北大西洋陸軍工程師的行政支援。與他一同合作的中校肯尼斯·尼科爾斯,後來成為了他的副將。  與馬歇爾一起合作的還有少將托馬斯·羅賓斯,萊斯利·格羅夫斯上校,尤金·雷博爾德准將,索穆威爾和斯太爾。經過商榷,1942年8月13日,這一專案名正式啟用了‘曼哈頓工程’。  韋伯斯特的調查組首先選定了美國戰時生產委員會曾提議的爆炸性試驗基地。它是臨近諾克斯維爾、田納西州的一個隔離區,因為在那裡田納西州流域管理局可以提供充足的電力,然而那裡的水源也可以為反應器提供冷卻水。經過基地對比,調查組選了靠近田納西州的這個地方。馬歇爾和尼克爾斯也開始收集需要的資料。首先他們為這個專案訂了高階優先權的級別。這個專案的優先等級從大到小是從AA-1到AA-4,但也有一個特殊的優先等級AAA,這是是為緊急情況設定的。等級AA-1和AA-2是屬於重要武器和裝備。

  由於馬歇爾在短時間內沒有迅速發展這個專案,再加上沒有成功收購田納西,而且把這個專案交給軍隊和他在紐約的指揮部這些低優先順序負責,這令布什感到非常不滿。因此,布什把這個專案交在高階政策委員會中有威望的斯太爾負責,任命他為這個專案的總指揮。  經商議,斯太爾和索穆威爾把馬歇爾提升為准將,希望他能在曼哈頓計劃的學術科研工作中起到更大的作用。格洛夫斯在華盛頓建立了他的指揮部,也在那裡為馬歇爾設立了聯絡處。他出席並且參與設立了軍事政策委員會(英語:the Military Policy Committee),這個會議是對最高政策集團負責,包括布什,海軍少將威廉·珀內爾,後來任命托爾曼和柯南特為格洛夫斯的在科學方面的顧問。  9月19日,格洛夫斯拜訪戰爭生產委員會的董事唐納德·尼爾森,他要求尼爾森給予他在AAA行使上的廣泛權力。經過長期競爭,格洛夫斯終於在1944年7月1日獲得了AA-1的權威。  專案初期,格洛夫斯遇到的問題是找一組設計和製做原子彈的指揮。奧本海默精通原子彈設計概念,但缺乏行政經驗。在1942年10月奧本海默說服了格洛夫斯和尼克爾斯。格洛夫斯只好冒險一試,在1943年7月20日宣佈奧本海默為指揮。

  剛開始英國和美國是在核能方面有資訊交流,但並沒有合作。1941年,布什和柯南特邀請英國加入以加強這個專案的力量,但英國果斷拒絕了。因為他們不願與美國分享自己領先的技術,也不願幫助美國去發展他們的核武器。但是由於英國沒有美國那麼足夠充裕的人力和物力,亦不甘落伍於美國之後。在1942年7月30日,兩國領導人丘吉爾和羅斯福在原子合作上做了一個非正式、不成文的協議。  然而這種平等的夥伴關係沒有持續多久。1942年8月,英國在沒有支付任何資金的情況下要求實質性控制這個專案,遭到美國拒絕。1943年,英美兩國之間的關係發生了逆轉。英國的談判地位惡化,美國科學家也決定不再接受任何的外來幫助。美國核政策委員也擔心英國會制造戰時的核武器。  1943年3月,柯南特冒著會暴露武器設計機密的風險去邀請詹姆斯·查德威克和其他幾位英國科學家來洛杉磯參與原子彈設計,因為這個專案非常需要他們這類技術人員。1943年8月,丘吉爾和羅斯福簽訂了魁北克協定,這個協議恢復了雙方的科學家在科研問題上互相合作的問題。1943年, 美國在這個專案上已經投入了超過10億美元, 而英國的投入僅50萬英鎊。  1944年6月,聯合政策委員會建立了聯合發展信託,格洛夫斯為首領。負責從國際市場採購鈾和釷礦。英國同意把大部分的比利時礦石給美國。格洛夫斯對早期英國在曼哈頓計劃上對原子研究和科學家方面給予的支援與幫助深表謝意。

  

  由於核武器的強大威力以及戰爭的緊迫局勢,這不得不要求該計劃必須做到絕對保密以免刺激到德國人加速發展他們的“曼哈頓計劃”,而這項計劃的保密形勢是很嚴峻的。  對於曼哈頓計劃的民間猜測甚至開始於計劃之前,因此在1939年二戰爆發之後,美國政府便停止了所有公共媒體對於核研究計劃的刊載和討論,並要求國家科學院以及其他媒體駁回前先所刊登的關於原子理論及核研究的討論,並避免了一切含有類似「鈾」、「中子」、「原子武器」等字眼的文章。  曼哈頓計劃的規模巨大,參與人員眾多,光是前後參與計劃的美國人總數都高達六十萬,而且計劃分散在田納西州,俄亥俄州,新墨西哥州和華盛頓等地祕密進行。如此龐大而且分散的計劃,光靠限制媒體的措施肯定是遠遠不夠的。參與人員人多口雜,如何使德國和前蘇聯情報機構一次次無功而返,或者是受到矇蔽,美國人也下足了功夫。 首先,每位計劃的參與者都簽署了嚴格的保密協議,甚至當地人也被告知此地所發生的一切禁止外傳,同時他們也互相鼓勵為國家而沉默。  美國人組織了一批十分盡職的保密人員隊伍,他們彼此之間通過暗語交流,小到記錄資料的紙片和每一位計劃內成員的心理狀態,事無鉅細地進行著監察和記錄,並一一處理,以達到機密不外洩。由於參與計劃的許多科學家都是國際社會知名的原子物理學家,為了矇蔽德國情報機構,他們甚至為每一位核心研發人員都取上了代號,其行動由情報部門周密安排,並派警衛人員隨時護衛,以至在行動上隱藏其端倪。  計劃的保密工作的嚴密程度甚至到了連盟友英國都要提防的地步,甚至於有人說連工人們都從來不知道他們在這佔地若干平方英里的龐大工廠裡製造的是什麼東西。他們只知道有少量的東西從大量的鈾礦中提煉出來。

  從歷史結果上看,曼哈頓計劃的保密工作自然是相當成功的。  首先對於德國情報部門,曼哈頓計劃做到了絕對的完全隱身,它不僅研究計劃和進度未被對方察覺,甚至於其存在都未被發現。  然後對於前蘇聯情報機構,曼哈頓計劃雖然被部分滲透,但仍保持高度的隱蔽性,前後接近10年,僅有個位數的間諜滲透進計劃內部獲取了部分資料。儘管這些絕密材料(共6000頁資料,25件樣品)對於美國的對手-蘇聯的核計劃有不可磨滅的影響。

  1942年,前蘇聯通過其駐英國大使館武官祕書的軍事偵查員С. Д.克列梅爾通過招募英國方面的核物理學家瞭解到英國正在進行大量原子能軍事應用研究,並通過調查發現,美國很可能也在進行同樣的研究,並且該類研究極其敏感。  1943年夏天,蘇聯軍事偵察部門獲得了美國總統羅斯福和英國首相丘吉爾8月19日在加拿大魁北克祕密會談的內容:經過高層會議評估後,兩巨頭簽定了共同研製原子彈的祕密協議。  1944年二月,蘇聯武裝力量總參謀部情報總局運用其在美國潛伏的地下間諜亞瑟·亞當斯招募了一位名為坎普的美國化學家,後者向其提供了許多有用情報:(1)美國已祕密斥資10億美元進行鈾的研究和生產技術開發;(2)數千名工程師和技術人員正在從事這一工作。數百名高階醫生正在研究放射性輻射對人體的影響,在從事這項研究的芝加哥大學和哥倫比亞大學成立了專門實驗室,由軍方領導人和科學家組成一個專門委員會領導這項工作;(3)美國正在設計空投型(核)炸彈,其爆炸產生的輻射和衝擊波能殺死數百英里範圍內的所有生物。  1944年5月,亞當斯又從坎普那獲得了2500頁美國核計劃資料和核材料樣品,並呈報莫斯科。  蘇聯在美國的間諜還有喬治·科瓦爾,代號德爾馬,他成功地打入了美國橡樹嶺核中心,在其中一個研究室工作,獲取了非常多有價值的情報,並瞭解到橡樹嶺三個濃縮鈾專案:K-25、Y-2和X-10。 美國在1943年也偵查到了蘇聯間諜開始對計劃進行滲透,在同年成立了一個特殊的反情報總隊處理間諜事務。1944年,奧本海默向反間諜總隊隊長帕什報告,加州大學放射實驗室的哈康·莫里斯有意接近他並要求其向蘇聯提供情報。  英國核計劃參與者克勞斯·富赫斯被查出,曾向蘇聯情報部門提供多項研究情報,他在1950年一併供出了其他間諜,並導致對哈利·金,大衛·格林格拉斯,朱利葉斯和埃塞爾·羅森堡等人的逮捕,而蘇聯間諜喬治·科瓦爾和核物理專家西奧多·霍爾則僥倖逃脫。

  1945年5月,過渡時期委員會成立,用來管理原子能使用,委員會由多人領導,有詹姆斯·弗朗西斯·伯恩斯、亨利·劉易斯·史汀生、Bard、威廉·克萊頓、萬尼瓦爾·布什等等,這些人中有後來的國務卿,也有助理國務卿。過渡時期委員會還邀請了阿瑟·康普頓、費米、勞倫斯、奧本海默等科學家協助處理科學事務。  在德國召開的波茨坦會議上,杜魯門總統被告知,核試驗已經成功。他告訴蘇聯領導人斯大林,美國已經擁有了新的超級武器,但是沒有透露具體的細節。這是美國第一次與蘇聯有關核彈進行的交流,但蘇聯已經通過自己的間諜得知了這一情況。在日本拒絕接受波茨坦公告後,美國決定對日本使用新研製的原子彈。  廣島是日本的軍事重鎮,還是重要的裝載港口,是美國轟炸日本的首要目標。1945年8月6日早晨,天氣晴朗,氣候悶熱。上午7時9分,數架美國飛機飛入廣島上空,盤旋幾圈,便即離去。8時整,393d轟炸機分隊的B-29又從高空進入廣島上空。外面廣島市民有人未進入防空壕,而是在仰頭看美機。8時15分,一架美機投下降落傘,傘上攜帶的原子彈在空中爆炸,形成一個直徑1750英尺(約530米)以上的大火球。火球放出的熱只有不到一秒,但熱度高達攝氏30萬度。大火球立即發生令人眼花目眩的強烈白色閃光,隨即市區上空發生了震耳欲聾的大爆炸。頃刻之間,城市捲起巨大的蘑菇狀煙雲,廣島遂化為一片火海。日本政府宣稱,廣島69%的建築被徹底摧毀,還有6-7%的建築被毀壞。大約7-8萬人在爆炸時立刻死亡,這大概是廣島30%的人口,還有7萬人受傷。  1945年8月9日早晨,B-29博克斯卡轟炸機在393d轟炸機分隊的長官決定將原子彈投向小倉。但當抵達小倉時,發現天空濃雲密佈,難以投彈,在城市上空盤旋數圈後燃料吃緊,遂飛往長崎這一備選目標。原子彈“胖子”被投向城市的工業區。這次爆炸相當於兩萬餘噸三硝基甲苯(TNT)炸藥,城市的44%被摧毀,三萬五千人死亡,六萬人受傷。  在兩次爆炸之後,Groves希望在8月19日以及9、10月份使用更多的原子彈,而這些原子彈已經準備就緒。但是,在日本簽署無條件投降書之後,這些計劃便擱淺了。

  這個專案截止1945年10月1日的總共花費是18.45億美元,相當於交戰時九天的花費。據美國原子能委員會1947年1月1日的報道,消費已達21.91億美元,配額總量為24億美元。其中,90%以上的開銷都是用在建築和生產可核裂變材料上,還不到的10%的開銷則是用在研發核武器上。  總共的四個核武器(小工具、小男孩、胖子和一個未使用的核彈)是在1945年底才研發出來的。以當時的價格來說,在每個核武器上的花費大約是5億美元。相比之下,這個專案在1945年年底的總花費幾乎是美國用於輕武器(不包括軍火)總花費的90%和當時用於美國坦克總花費的34%。

  核武器的產生不論是在政治上還是文化上都帶來了深刻而廣泛的影響。威廉·勞倫斯見證了三位一體核試和長崎原子彈爆炸,在紐約時報中他首先用了“原子時代”這一詞。後來他還發布了一系列的文章來讚揚新武器的優越。在文章中,他通過對比原子核爆炸前後的兩個時間段來刺激公眾對核能技術的潛力,也激發其在美國和蘇聯的發展。  在交戰時,曼哈頓工程的國家實驗室以網狀形式留在了那裡,其中包括勞倫斯伯克利國家實驗室、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。戰後不久格洛夫斯又建立了兩個以上的試驗的,一個是在紐約,厄普頓的布魯克海文國家實驗室,另一個是在新墨西哥阿爾伯克基的桑迪亞國家實驗室。據1946-1947的財政年度的公佈,格洛夫斯在研究方面用了7200萬美元。這個專案可以對於橡樹嶺國家實驗室的總指揮阿爾文·溫伯格來說可是一個大專案了,也稱為需耗費巨資的‘大科學’。  美國海軍研究實驗室很早就希望他們自己能在海上作戰的時候用上原子彈,這樣不僅可以推廣軍艦的實力,也可以創造屬於他們自己的原子彈專案。1946年月,當任海軍指揮的尼米茲認為海軍也應該為曼哈頓計劃獻出自己的一份力量。所以當時的很多海軍軍官都投身於原子彈的研究,他希望能為發展核動力式軍艦打下良好的基礎。同時,也有一些空軍人員在1946年9月份到達橡樹嶺,他們的目標是發展核動力式飛機。但是他們研究的核能推動式飛機NEPA專案因為遇到了嚴重的技術困難,所以只能以取消告終。  從1946年中旬,橡樹嶺開始在一些醫院和大學分發放射性同位素。大多數的訂單訂的都是用於診斷和癌症治療的碘-131和磷-32。除了醫學應用,還用於生物,工業和農業方面的研究。
曼哈頓計劃(英語:Manhattan Project)是第二次世界大戰期間研發與製造原子彈的一項大型軍事工程,由美國主導、英國與加拿大提供相關支援,該計劃於1942年至1946年間由美國陸軍工程兵團的萊斯利·理查德·格羅夫斯中將領導,美國物理學家羅伯特·奧本海默作為洛斯阿拉莫斯國家實驗室的首任主任負責原子彈的製造。