摘要：“铀顾问委员会”成员包括美国国家标准局、陆军和海军的代表,该委员会时常与物理学家和化学家开会讨论原子能和原子武器的发展问题。根据讨论中提出的意见,该委员会向陆军和海军申请适当的款项以购买研究材料。1940年6月，在风闻威廉皇帝物理研究院已经承担了关于铀的庞大研
橡树岭
“上校,在国库里,我们计算银的单位不是吨,而是金衡盎司.”
--丹尼尔·贝尔.美国财政部副部长,1943年3月
“铀顾问委员会”成员包括美国国家标准局、陆军和海军的代表,该委员会时常与物理学家和化学家开会讨论原子能和原子武器的发展问题。根据讨论中提出的意见,该委员会向陆军和海军申请适当的款项以购买研究材料。1940年6月，在风闻威廉皇帝物理研究院已经承担了关于铀的庞大研究计划后,又成立了“国防研究委员会”,由OSRD署长布什兼任该委员会主席,铀顾问委员会成为该会下属的一个分支机构。国防研究委员会通过与一些大学和学院订立合同的办法进行工作,最初使用陆海军划拨的经费,后来则从国会拨款委员会得到了专门的预算。
到1941年11月，由于“铀计划”已经变得极为重要,布什决定让铀顾问委员会(此时已改称S-1委员会)脱离NDRC的管辖,直接划归OSRD管理。布什同罗斯福商讨了军用原子能的问题,在扩充计划、调整组织、获得特别经费及与英国交换情报方面得到了罗斯福的批准,随后创立了一个原子弹计划的最高政策小组,成员包括总统本人、副总统华莱士、陆军部长史汀生、参谋总长马歇尔和康南特博士。
范尼瓦尔·布什(1890-1974)，科学研究与发展总署署长，主管核反应堆开发。他也是互联网发明人之一。
到1941年11月为止,所有在实验室进行的研究工作都是利用铀来实现可控链式反应。铀，，是一种稀有的同位素，在天然铀中的含量只有0.7%。在费米的核反应堆中，就是靠这0.7%的铀实现了核裂变,如果能够从天然铀中进行提纯,去掉较重的铀，则裂变的几率将大为增强。根据费米的估算,要实现核爆炸,可能需要几公斤到几十公斤纯度90%以上的铀3，但是在此之前人类从未获得过哪怕是超微量的纯铀，要生产出以“公斤”计的这东西来不啻是天方夜谭。
然而还存在另外一条捷径用高能中子轰击铀后可以获得同位素铀3,后者的半衰期约为23分钟,随后嬗变成新元素93(镎)。镎是一种不稳定的超铀元素,在2到3天内衰变为钚。1940年3月,以西博格博士为首的研究小组在加州大学伯克利分校用60英寸回旋加速器加速的氘核轰击铀238,获得了钚239(第106号元素后来以西博格命名,第97和98号元素分别以伯克利和加利福尼亚命名)。对这种物质的分析表明它的临界质量比铀小得多,在同样为球体时大约是后者的1/5左右,而且纯度只需要10%到15%，所以可以用在自然界储量较高的铀，来制造新的核裂变材料。
美国卷入第二次世界大战后,终止了关于原子能动力方面的研究,集中人力物力加快制造原子弹的步伐。在1941年12月16日的最高决策小组会议上,布什建议将当时仍处于分散研究状态的核物理学家和工程师集中到某一地区以提高效率、加强保密工作。他推荐陆军工程兵团统管该地区的建设工作。此后不久,康南特博士又审核了布什的报告，提出了建设生产工厂的问题。当时有6种方法生产裂变物质:用离心法、气体扩散法、液体热扩散法和电磁法来分离铀，用铀加石墨或重水反应堆来生产钚239°
1942年6月17日,布什送给罗斯福一份原子弹计划现状的报告,他在报告中指出,制造用于战争的核武器在技术上是可以实现的，并详细说明了生产这种武器的方法,在报告的最后,布什建议“及时把它制造出来以影响当前战争的结局。”罗斯福批准了该报告,次日美国陆军后勤部参谋长斯泰尔少将指定工兵上校马歇尔主管建设一个工程区,来“执行陆军在原子能发展方面的职责”。从这一天开始,“曼哈顿工程”正式启动。当然，此时该工程还不叫这个名字,而是叫“代用材料发展实验室”,直到该年8月,项目负责人之一格罗夫斯上校担心这个名字会引起人们的好奇,建议以马歇尔上校的办公室所在地曼哈顿命名,于是“曼哈顿工程区”就这样诞生了。
1942年9月17日,刚刚完成五角大楼施工项目的陆军工程兵团建筑部副主任格罗夫斯上校被任命为曼哈顿工程的军方负责人，接替即将调任海外的马歇尔上校,同时被提升为准将。格罗夫斯在华盛顿占用了陆军部大厦(现为美国国务院所在地)的5120和5121两个房间,作为曼哈顿工程的总部。
格罗夫斯将军(1896-1970)，美国陆军工程兵上校(后升为少将)，曼哈顿工程负责人
按照曼哈顿工程最初的时间表，将在1942年10月1日开始建造钚反应堆，11月1日开始电磁分离工作，1943年1月1日开始离心分离工作,3月1日开始气体扩散工作。
根据专家估算,裂变物质工厂需要一片广阔无人的土地,此地必须远离东西海岸,和华盛顿、纽约、芝加哥之间的交通往来必须便利,该地必须有大量水源,地价低廉,最后，该地气候条件必须允许全年施工。格罗夫斯最后选中了田纳西州诺克斯维尔附近、濒临田纳西河的克林顿镇为铀工厂厂址，华盛顿州濒临哥伦比亚河的汉福德为钚工厂厂址。
曼哈顿工程各主要地点分布图
克林顿是个典型的田纳西小镇,到处是散居的农户,只有几家小商店和一所全日学校,该地有公路和铁路与外地相连,交通十分便利,同时罗斯福“新政”时代兴建的田纳西河流域整治工程所建立起来的一系列水电站为该地提供了充足的电力保障。曼哈顿工程在克林顿镇地区征购了54,000英亩土地,由政府按居民产业的全部价值支付征地费和搬迁费。整个厂址起初命名为“克林顿工厂”,直到1943年夏季才改用“橡树岭”作为包括工厂、居民区在内的整片地区的对外通讯名称，但铀工厂的正式名称仍是“克林顿工厂”,直到1947年美国原子能委员会成立后才改名为“橡树岭工厂”。
当时已经研究出几种分离铀和铀3的方法化学家尤里(氘的发现者,1934年获诺贝尔化学奖)在哥伦比亚大学进行气体扩散试验，劳伦斯(回旋加速器的发明者,1939年获诺贝尔物理学奖,第103号元素以其命名)在加州大学伯克利分校进行电磁分离试验。气体扩散的原理是用泵将六氟化铀气体抽过大约4000多层金属薄膜筛,每个筛子都有无数个微小(小于百万分之一厘米)的小孔,铀、形成的六氟化物分子量较小,因此可以以较快的速度通过筛孔。电磁法则利用回旋加速器的原理,借助铀、和铀氟化物分子量上的细微差异,使它们在穿过电磁场时弯曲度稍有不同,随之将其分离。
橡树岭电磁分离厂中安装了空前巨大的电磁铁,磁极的直径达4.6米,用这种方法终于生产出以公斤计的铀235。离心方法则用离心机将铀和铀的混合物高速旋转(每分钟上万转到上百万转),铀，较重而被逐渐甩到外层,然后车削掉最外面极薄的一层纯铀，随后不断重复这一过程。这种方法当时虽然已经研究出来,但还没有发展到可用于工业生产的程度,为了避免分散精力,格罗夫斯最后决定只在橡树岭建造气体扩散厂(代号K-25)和电磁分离厂(代号Y-12),两厂相距约27公里。
橡树岭Y-12 工厂6600 多个巨型电磁铁中的一个。其导线圈是用美国国库的银锭做成的
电磁分离厂(Y-12)建在橡树岭的东南部,占地825英亩，动力设备由通用动力公司承包，阿利斯-查尔默斯公司生产磁铁,威斯汀豪斯公司生产操作箱和其他部件,斯通-韦伯斯特公司承包建筑施工。整个工厂在1943年2月开工建设，同年11月投产,建设费用达3.04亿美元。它是克林顿工厂中工人最多的(战时雇员最多达8.2万人),也是战争期间制造出武器级浓缩铀的唯一工厂。
整个Y-12工厂分为三大部分:进行初步浓缩的a车间、进行再提纯的β车间,以及辅助的化学、动力等车间。a车间包括5座厂房,每座厂房安装9座被称为“跑道’的电磁分离装置,每套装置包括96个磁铁和96个气体收集器，车间则包括3座厂房,每座厂房安装8台“跑道”。这样一共需要6624个巨大的磁铁,如何获得生产这些磁铁所需的铜，成了克林顿工厂起步时碰到的最大的难题。如果这些磁铁全都用铜带缠绕,那么Y-12工厂至少需要约12万吨铜。1942年美国全年铜产量为300万吨,但是其中绝大部分用于更紧急的军事项目了,最后格罗夫斯想到了美国财政部的白银。
经过一系列协商，美国财政部同意提供4.7万吨银币,以及3.9万吨银锭(美元银元券纸币的准备金),条件是在战争结束后6个月之内归还同等数目的白银。这些银币和银锭从西点银库中提出来,在严密的保护下运到美国金属精炼公司铸造为短银条,道奇铜制品公司把这些银条做成导流带、磁铁线圈以及类似的各种部件,最后交给阿利斯-查尔默斯公司制造电磁铁。由于保卫工作严密,整个过程(包括后来的生产过程)中没有发生过一起失窃案,价值3亿多美元的8.4万吨白银最后只损失了0.035%,原因是铸造、加工和使用中正常的损耗。
在Y-12工厂投产的最初几个月里,格罗夫斯等人发现了一系列技术问题磁铁铁芯的银带缠绕得过密,再加上用于冷却的循环油中混进了铁屑,造成了线圈短路,老鼠跑进了真空操作箱，鸟儿、暴风、雷击使得电线短路……最后格罗夫斯不得不加强保卫及废物回收措施，防止怠工者进行破坏(比如将铁屑投入循环油中),同时规定每4周清理一次α车间,每两周清理一次β车间。
气体扩散工厂(K-25)的开工时间比电磁分离工厂晚得多,因为S-1委员会将其优先度排在了电磁分离厂和钚工厂之后。该工厂的核心是几千个分级过滤设备,每套设备里都有用金属滤膜制成的管子,由于涉及到许多当时最先进的化工技术,所以美国最大的化工公司之一联合碳化物公司被指定为生产滤膜及级联过滤设备的主要承包商，扩散泵则由阿利斯-查尔默斯公司生产。由于需要多种频率的电源,更重要的是担心供电线路遭到破坏(气体扩散工厂一旦停工就可能需要几个月才能重新启动,这一点与电磁分离工厂不同,后者停工后只需几天便可重新开工),K-25工厂没有使用田纳西河流域管理局提供的电力,而是单独建立了一座火力发电厂。
为了避免气体腐蚀,有人建议将该厂几百英里长的工艺管道全都用镍制造，生产管道设备的克莱斯勒汽车公司经过计算发现,这样的话全世界的镍都不够K-25工厂所用。最后格罗夫斯找了新泽西州的一家小公司,给每个管子都镀了一层厚厚的镍。为了确保安全,在几百英里的管道中一个气孔都不能有,而且这些管道在投产前都经过了外科手术级的清洁工作,格罗夫斯为此又建立了专门的焊接和清洗车间……这样，在投产之前,K-25工厂已经花了2亿美元。
Y-12工厂电磁分离设备的控制车间，可见大多数操作人员都是妇女
战争末期克林顿工厂还建设了液体热扩散车间,作为气体扩散的辅助生产手段。热扩散的原理是不同分子量的同位素比热不同,这样较轻的铀将向上流动。1941年夏天,化学家阿贝尔森已在华盛顿卡内基学院通过这种方式分离出了微量的铀,海军随后资助了这一试验,并在费城海军船厂建了一个实验工厂。建立一整套热扩散生产设备的话,大约需要20到30亿美元,但是该工艺可以作为取得低浓缩铀的第一步工序,这样就省钱得多。1944年夏天，代号S-50的液体热扩散工厂在K-25工厂旁边开工,前者利用后者的蒸汽,后者利用前者的粗制产品进一步提炼浓缩铀。整个工厂共有21套同位素分离器,每套包括102座长15米的圆管,内为镍管,外为铜管，铜管外部包有白铁冷却水管。
到1945年5月,橡树岭已经为曼哈顿工程提供了足够的铀,用于制造投放在广岛的那颗原子弹,整个生产过程中只有8人因工伤死亡,其中5人触电,1人中毒气,1人被烧伤致死,1人被落下的重物砸死。考虑到整个铀生产的过程中危机四伏,不仅要用到许多危险品和剧毒的化学品(比如碳酰氯/光气、液氮、氟化氢、四氯化碳等等),铀本身及其化合物也有毒性和爆炸性,能够保持这么少的工伤率实在是一件了不起的成就。
汉福德
“依照当前已掌握的工艺,钚生产是可以实现的,其成功的或然率为99%,炸弹的成功或然率为90%……在时间上,假设能够得到连续不断的全方位支持,1944年将会交出第一颗原子弹,1945年将达到每个月制造1颗的生产率.....”
--阿瑟·康普顿，1942年12月
1942年10月5日,即曼哈顿工程预定的钚计划开工时间之后4天,格罗夫斯、康普顿、费米、西拉德和魏格纳等人在芝加哥“冶金实验室”开会讨论钚生产问题。当格罗夫斯问到制造一颗炸弹大致需要多少钚的时候,被物理学家们的回答吓了一跳具体需要多少钚不清楚,能计算出来的最精确的因数是10,也就是说，如果计算结果是1颗原子弹需要10公斤钚,则正确答案应该在1公斤到100公斤之间。即使只需要1公斤钚,在那时也是一个天文数字,因为当时人们只是用回旋加速器制造出了几毫克的钚,至于反应堆里面产生的钚则还没找到办法将其与铀分离出来。
汉福德工厂C反应准
格罗夫斯决定先撇下这群科学家,着手解决钚工厂的建设问题。为了减少工程、建设、运行三方面的协调问题,他决定让一家公司独自负责这三种工作,而当时美国国内有能力统管这些工作的只有杜邦化学公司一家。杜邦公司接受的委托包括一个大规模的钚工厂的设计、建造、运行等内容,杜邦公司根据“冶金实验室”的设计施工,美国联邦政府对此过程中可能产生的任何损害负全责。杜邦公司董事会表示,它将免费协助政府,不会为这项工作接受任何酬金或收取任何专利费，于是这一条款也写进了合同,但是出于法律方面的理由,杜邦公司又必须接受酬金才能使合同成立,于是合同中最后规定酬金为1美元。
有趣的是,日本投降后不久,美国政府提前将这1美元酬金完全付给了杜邦公司,而财政部的官僚却认定合同没有期满,判定杜邦公司应退还政府33美分,幸而杜邦公司在和政府部门的多年相处中已养成了诙谐感,于是饶有风趣地接受了这一裁决。根据其他合同的安排,杜邦公司制氨部生产重水(当时已经决定用石墨作为减速剂,重水只是备用手段),TNX(三硝基二甲苯)炸药部生产钚。
曼哈顿工程起初准备将钚工厂的厂址设在芝加哥附近的阿贡山,但由于钚的生产过程比铀生产更具危险性,不适合将其安放在人口稠密的大城市周围。橡树岭是个比较合适的地点,不过如果将钚工厂安在那里的话，需要再征购7.5万英亩土地,同时田纳西州的电力负担将过重,而且万一钚工厂发生爆炸、泄露等事故,将势必影响当地铀工厂的运转。经过讨论,杜邦公司和曼哈顿工程成员对厂址的选择提出了以下几点意见：1、能够大量提供冷却水;2、至少能提供10万千瓦的电力;3、最危险的核心生产区至少为16x12英里见方;4、实验室至少离反应堆或分离工厂8英里远5、生活和福利区应在离反应堆和分离厂至少10英里的上风处;6、反应堆或分离厂周围20英里内不应有人口在1000以上的小镇。
当时美国最大的几个水电站--哥伦比亚河上的大柯利水坝科罗拉多河上的博尔德水坝(现名胡佛水坝)都在西部地区,经过从华盛顿州到墨西哥边境的美国西部地区的仔细勘察,格罗夫斯决定将厂址设在华盛顿州中部的汉福德,这里可以从大柯利(设计装机容量197万千瓦，1943年时可发电82万千瓦)及其下游的博纳维尔(52万千瓦)两处水电站取得充足的电力供应。当时的汉福德是个很小的小镇,只有两家杂货店,由于土壤里多为沙石(这种地基对于安装反应堆的大型建筑来说比较理想),特别是灌溉用水都要从20公里外引来,所以只有几个种薄荷、樱桃和饲养火鸡的农庄，地价低廉。1943年2月8日,美国陆军部长颁布了征地命令,在汉福德地区收购了50万英亩的土地。
汉福德工厂设在离河几公里的地方,哥伦比亚河冷冽纯净的河水很适合用来冷却反应堆,冷却水流出反应堆后收入贮水池,待里面的放射性同位素衰变后再排放到哥伦比亚河中,以免伤害河里的鲑鱼。整座工厂包括6座20万千瓦水冷石墨反应堆和3座分离工厂，每座反应堆占地2.6平方公里，由钢、压制木板和厚厚的混凝土屏蔽,以保护操作人员不受辐射的伤害。为确保安全,每座反应堆都配备了双套水冷系统,反应堆之间相距10公里。
此前根本没有将反应堆用于工业生产的经验，比如管道材料在中子轰击下的强度问题就是以前完全没有考虑过的,所以汉福德工厂只得一边建设一边发现问题、并从芝加哥冶金实验室和克林顿工厂的小型试验反应堆那里获得经验。建设一座反应堆需要用到45万套各种组件,其中许多零件需要比制造精密钟表更精细的公差来进行装配,杜邦公司将这些部件转包给美铝、联合碳化物、通用汽车和其他上百家中小公司,在汉福德工厂建设的高峰时期,有45万人直接或间接地为其服务。
汉福德工厂工人捐出1天工资给陆军航空兵购买的B-17轰炸机，取名为“Day's Pay"号。
汉福德工厂原本计划建造8座分离厂,后来又减为6座、4座,最后确定建设3座分离工厂,其中两座正常运行,另外一座做为后备工厂,每座工厂的厂房长达240米,用2米厚的混凝土分割成一个个小操作间,经反应堆处理的铀棒用专用的铁路车辆运到这里后用化学方法分离出钚,残渣和废液经过再萃取后放到钢筋混凝土容器中深埋地下。
除了建设钚工厂外,另一个紧迫的问题是为迅速涌入汉福德的上万名工人建设生活和福利设施,包括住宅、办公楼、工厂的总务和后勤机关、实验室、医院、仓库、商店、教堂、红十字会、储蓄所、供热厂、变电所、围墙、下水道、水塔……还有几百公里的专用公路、铁路和配电线路。这些基础设施的施工由陆军工程兵负责,汉福德工厂还从全国各地招募了好几千名妇女从事文书、打字、速记、事务员等工作,因此为她们建立了服装店和美容沙龙,每天傍晚还有一趟专车运送妇女们到70公里外的帕斯科镇,妇女们可以去那里采购、理发、看电影,或是参加帕斯科海军航空兵基地的定期舞会。
来源：心如止水HJL一点号