Manhattanprosjektet () var et forsknings- og utviklingsprogram, som under amerikansk ledelse og med deltakelse av Storbritannia og Canada førte til fremstillingen av de første atombombene under andre verdenskrig. Fra 1942 til 1946 ble prosjektet ledet av generalmajor Leslie Groves fra den amerikanske hærens ingeniørkorps (US Army Corps of Engineers). Hærens del av prosjektet fikk betegnelsen Manhattan District. Manhattan avløste etter hvert det offisielle kodenavnet Development of Substitute Materials som betegnelse for hele prosjektet. Underveis slukte Manhattanprosjektet også den tidligere britiske motparten, kalt Tube Alloys. Blant fysikerne som tok del i Manhattanprosjektet var Edward Teller og danske Niels Bohr.
Manhattanprosjektet begynte i det små i 1938, men det vokste raskt og tilsammen beskjeftiget det over personer og kostet nesten 2 milliarder dollar (tilsvarende ca. 150 milliarder i 2012). Over 90 % av pengene gikk til byggingen av fabrikker og produksjonen av spaltbart materiale, mens under 10 % gikk til selve utviklingen av våpnene. Forskning og utvikling foregikk på mer enn 30 forskjellige steder rundt om i USA, Storbritannia og Canada, og noen av disse var hemmelige.
Det ble bygget to typer atombomber under andre verdenskrig. En forholdsvis enkel uranbombe som benyttet uran-235, som er en relativt sjelden uranisotop som kun utgjør 0,7 % av naturlig forekommende uran. Da uran-235 kjemisk sett er identisk med den vanlige uran-238-isotopen, og veier nesten det samme, var den svært vanskelig å skille ut. Det ble brukt tre forskjellige metoder for anrikelse av uranen: elektromagnetisk diffusjon, gassdiffusjon og termodiffusjon. Hoveddelen av arbeidet ble utført i Oak Ridge i Tennessee.
Samtidig med arbeidet med å skille ut uran-235, arbeidet man også med å lage plutonium. Det ble bygget reaktorer i Hanford i Washington hvor uran ble bestrålt og omdannet til plutonium. Plutoniumet ble deretter adskilt fra uranen på kjemisk måte. Plutoniumbomben krevde et mer komplisert våpen som skapte en implosjon og ble designet og bygget på prosjektets våpendesign- og konstruksjonslaboratorium ved Los Alamos i New Mexico. Den første atombomben som ble sprengt var en plutoniumbombe som ble detonert under Trinityprøvesprengningen i Alamogordo i New Mexico 16. juli 1945. Atombombene over Hiroshima og Nagasaki bestod av uranbomben «Little Boy» og plutoniumbomben «Fat Man».
Manhattanprosjektet ble gjennomført under omfattende sikkerhetsforanstaltninger, men sovjetiske spioner lyktes likevel i å trenge inn. Gjennom Operasjon Alsos gjorde personell fra Manhattanprosjektet tjeneste i Europa for å samle inn opplysninger om det tyske atomprosjektet. Det foregikk til tider bak fiendens linjer, hvor de samlet inn nukleært materiale og fanget tyske vitenskapsfolk. I perioden like etter krigen gjennomførte Manhattanprosjektet prøvesprengninger på Bikiniatollen som et ledd i Operasjon Crossroads, utviklet ny våpen, støttet utviklingen av nettverket av amerikanske atomlaboratorier, støttet medisinsk forskning innenfor radiologi og la grunnsteinen for den atomdrevne flåten. Prosjektet beholdt kontrollen over den amerikanske atomforskningen og produksjonen av atombomber frem til etableringen av United States Atomic Energy Commission i januar 1947.
Opprinnelsen
I august 1939 skrev de to fremtredende fysikerne Leó Szilárd og Eugene Wigner et utkast til det såkalte Einstein–Szilárds brev, som advarte om den mulige utviklingen av «ekstremt kraftige bomber av en ny type». I brevet oppfordret de USA til å ta skrittet med å anskaffe et lager av uranmalm og fremskynde forskningen som Enrico Fermi og andre arbeidet med angående nukleære kjedereaksjoner. De fikk Albert Einstein til å signere brevet og avlevere det til president Franklin D. Roosevelt. Roosevelt oppfordret videre Lyman Briggs fra National Bureau of Standards til å lede en rådgivende urankomite, som skulle undersøke forholdene som ble omtalt i brevet. Briggs holdt et møte 21. oktober 1939, med deltakelse av Szilárd, Wigner og Edward Teller. Komiteen svarte tilbake til Roosevelt at uran «ville være en mulig kilde til bomber, som ville være langt mer destruktive enn noen kjente hittil».
Briggs foreslo at National Defense Research Committee (NDRC) skulle bruke dollar på forskning, spesielt på uran-235-isotopen og det nylig fremstilte plutonium. 28. juni 1941 undertegnet Roosevelt Executive Order 8807, som etablerte Office of Scientific Research and Development (OSRD) med Vannevar Bush som direktør. Kontoret fikk i oppgave å beskjeftige seg med store ingeniørprosjekter utover forskning. NDRC-komitéen om uran ble S-1 Uranium Committee hos OSDR. Ordet «Uranium» ble etter kort tid fjernet av sikkerhetshensyn.
I juni 1939 kom de britiske forskerne Otto Frisch og Rudolf Peierls ved University of Birmingham frem til et gjennombrudd i undersøkelsen av den kritiske massen til uran-235. Deres beregninger antydet at den kritiske størrelsen lå i en størrelsesorden på 10 kg, noe som var tilstrekkelig lite til at en uranbombe kunne brukes fra et av datidens bombefly. Deres Frisch–Peierls memorandum fra mars 1940 satte gang i det britiske atombombeprosjektet og dets Maud Committee, som enstemmig anbefalte at man forsøkte å utvikle en atombombe. Et av medlemmene, den australske fysikeren Mark Oliphant, fløy til USA i slutten av august 1941 og konstaterte at de opplysningene som Maud-komiteen hadde stilt til rådighet ikke var nådd frem til de amerikanske fysikerne. Oliphant forsøkte deretter å finne ut av hvorfor komiteens opplysninger tilsynelatende hadde blitt ignorert. Han møtte med urankomiteen og besøkte Berkeley i California, hvor han nådde langt i en samtale med Ernest Lawrence. Lawrence var tilstrekkelig imponert til at han selv innledet en uranforskning. Han talte selv med James B. Conant, Arthur Compton og George Pegram. Oliphants oppdrag var derfor en suksess, i det betydningsfulle amerikanske fysikere nå var klar over potensialet i en atombombe.
Under et møte mellom president Roosevelt, Vannevar Bush og visepresident Henry A. Wallace 9. oktober 1941, godkjente presidenten atomprogrammet. Til å lede programmet nedsatte han en overordnet politisk gruppe bestående av ham selv, selv om han aldri deltok i noen møter, Wallace, Bush, Conant, krigsminister Henry L. Stimson og hærens øverstkommanderende, general George Marshall. Roosevelt valgte å la hæren styre prosjektet fremfor marinen, fordi hæren hadde mest erfaring med styring av storstilte prosjekter. Han gikk også inn for å koordinere innsatsen med britene, og den 11. oktober sendte han en meddelelse til statsminister Winston Churchill hvor han foreslo at de skulle skrive sammen om atomspørsmål.
Undersøkelse av gjennomførbarhet Forslag thumb|Et møte i 1940 på Berkeley med (fra venstre mot høyre) Ernest Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton og Alfred L. Loomis. S-1-komiteen hold sitt første møte 18. desember 1941 i «en atmosfære av entusiasme og behov for handling», i kjølvannet av angrepet på Pearl Harbor og den etterfølgende krigserklæringen mot Japan fra Tyskland. Det ble arbeidet på tre forskjellige metoder med separeringen av uran-235- og uran-238-isotopene. Lawrence og hans lag ved Berkeley undersøkte muligheten for elektromagnetisk adskillelse, mens Eger Murphree og Jesse Beams' lag undersøkte gassdiffusjon ved Columbia University og Philip Abelson ledet en undersøkelse av termodiffusjon ved Carnegie Institution of Washington og senere på Naval Research Laboratory. Murphree var også leder for et mislykket prosjekt med separasjon ved hjelp av sentrifuger.
I mellomtiden ble det forsket på to typer reaktorteknologi. Harold Urey fortsatte sin forskning på tungtvann ved Columbia-universitetet, mens Arthur Compton tok med seg de forskerne som arbeidet under hans ledelse på Columbia og Princeton University til University of Chicago. Her bygget han opp det metallurgiske laboratorium i begynnelsen av 1942 for å studere plutonium og reaktorer som brukte grafitt som nøytronmoderator. Briggs, Compton, Lawrence, Murphy og Urey møttes 23. mai 1942 for å ferdiggjøre S-1-komitéens anbefaling, som gikk ut på at man skulle arbeide videre med alle fem teknologier. Dette ble godkjent av Bush, Conant og brigadegeneral Wilhelm D. Styer, stabssjef for generalmajor Brehon B. Somervells forsyningstjeneste, som var blitt utpekt til å være hærens representant i atomære spørsmål. Bush og Conant tok anbefalingen med til den overordnede politiske gruppen med et budsjettforslag på 54 millioner amerikanske dollar til byggeprosjekter som skulle utføres av hærens ingeniørkorps, 31 millioner til forskning og utvikling i OSRD og 5 millioner til uforutsette utgifter i finansåret 1943. Den overordnede politiske gruppen sendte anbefalingen videre til presidenten 17. juni 1942, og han godkjente budsjettet ved å skrive «OK FDR» på dokumentet.
Skisser til utforming av en bombe thumb|upright|Forskjellige måter å bygge opp en fisjonsbombe på som ble undersøkt på konferansen i juli 1942. Compton ba den teoretiske fysikeren Robert Oppenheimer fra Berkeley om å ta over ansvaret for forskningen på hurtige nøytronkalkulasjoner – nøkkelen til beregningen av den kritiske massen og detoneringen av våpenet – etter Gregory Breit. Breit hadde sagt opp 18. mai 1942 på grunn av bekymringer om slapp operasjonssikkerhet. John H. Manley, en fysiker fra det metallurgiske laboratoriet, fikk som oppgave å assistere Oppenheimer ved å kontakte og koordinere grupper av eksperimentelle fysikere spredt over hele landet. Oppenheimer og Robert Serber fra University of Illinois undersøkte problemene rundt nøytronspredning – hvordan nøytroner beveger seg i en kjedereaksjon – og hydrodynamikk – hvordan eksplosjonen som følge av en kjernereaksjon kunne tenkes å oppføre seg.
For å kontrollere dette arbeidet og den generelle teorien om fisjonsreaksjoner, innkalte Oppenheimer til møter ved University of Chicago i juni og ved University of California, Berkeley i juli 1942 med de teoretiske fysikerne Hans Bethe, John H. van Vleck, Edward Teller, Emil Konopinski, Robert Serber, Stan Frankel og Eldred C. Nelsen. De tre sistnevnte hadde tidligere vært Oppenheimers studenter. I tillegg møtte også de eksperimentelle fysikerne Felix Bloch, Emilio Segrè, John Manley og Edwin McMillan. De kom frem til en foreløpig konklusjon om at en fisjonsbombe var teoretisk mulig.
Der var fremdeles mange ukjente faktorer. Man visste ikke mye om hvordan rent uran-235 oppførte seg, og det samme gjaldt plutonium – et grunnstoff som først var blitt fremstilt i februar 1941 av Glenn T. Seaborg og hans gruppe. Vitenskapsfolkene på Berkeley-konferansen forestilte seg at man skulle lage plutonium i atomreaktorer hvor uran-238-atomer opptok nøytroner som var blitt utsendt ved spaltning av uran-235-atomer. På dette tidspunktet var det enda ikke bygget noen reaktor, og det var kun svært små mengder plutonium til rådighet fra syklotroner. Selv i desember 1943 var det kun blitt fremstilt 2 mg.
Det var mange måter å forme spaltbart materiale slik at det ble til en kritisk masse. Den enkleste bestod i å støte en sylinder inn i et hull i en kule omkranset av et materiale som holdt nøytronene inne i det spaltbare materialet for å øke effekten.. De undersøkte også former som kuler, en primitiv form for «implosjon» foreslått av Richard Tolman, samt muligheten for autokatalytiske metoder som ville øke kraften av bomben under eksplosjonen.