I juli 1939 overbeviste Szilard økonomen Alexander Sachs om at det var nødvendig med et kraftig amerikansk initiativ innen de militære anvendelsene av fisjon, for å motvirke utviklingen i Tyskland. Szilard ba Einstein skrive et brev til president Roosevelt der han beskrev farene og mulighetene ved fisjon.

Med bidrag fra Edward Teller og Eugene Wigner ble brevet utarbeidet den 2. august 1939. Sachs la fram brevet og et teknisk dokument fra Szilard for Roosevelt den 11. oktober 1939, og presidenten opprettet straks en rådgivende komité for uran (Advisory Committee on Uranium, ACU) ledet av regjeringsforskeren Lyman J. Briggs.

Bildet til høyre: A. Einstein og L. Szilard i august 1939. Nedenfor: det opprinnelige Einstein–Szilard-brevet.

Høyeste prioritet fikk Fermis arbeid i New York med å få i gang en kjedereaksjon med naturlig uran og en grafittmoderator, sammen med studier ved flere forskningslaboratorier av separasjon av isotopen ²³⁵U. I Berkeley ble grunnstoff 94 (plutonium) oppdaget av Glenn Seaborg i februar 1941, og fisjonsegenskapene ble studert av ham selv og Emilio Segrè. Å bruke det som et alternativ til ²³⁵U ble en viktig mulighet.

I juni 1941 overbeviste Vannevar Bush Roosevelt om at det var nødvendig at vitenskapsfolk deltok i forsvarsarbeidet og i utviklingen av nye våpen. Office of Scientific Research and Development (OSRD) blir opprettet og rapporterer direkte til presidenten. ACU blir lagt under OSRD med det nye navnet «Section S-1». Det blir anbefalt at industrien skal delta i byggingen av pilotanlegg, og det innføres strengere politisk kontroll med forskningen.

Bildet over: De vitenskapelige lederne for S-1-prosjektet: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley 29. mars 1940).

Den 9. oktober 1941 legger V. Bush fram MAUD-rapporten, som britene hadde gjort tilgjengelig, for Roosevelt og visepresident Henry A. Wallace. Roosevelt gir Bush full fullmakt til å undersøke om en bombe kan bygges og til hvilken pris, med nødvendig finansiering fra en egen presidentkilde. Det måtte opprettholdes strengt hemmelighold, og detaljene i samarbeidet med Storbritannia måtte fastsettes nøyaktig. Denne hendelsen var av avgjørende betydning for selve framstillingen av bomben.

Samarbeidet hadde sine vansker, skapt av den parten som til enhver tid så ut til å ligge lengst framme i kjerneforskningen. I 1941 begrenset britene informasjonen til amerikanerne, og i 1942 nektet amerikanerne å ta med et britisk team i programmet sitt. Problemene ble forsterket av at franske vitenskapsfolk deltok i det britiske prosjektet, og av patentpolitikken. I januar 1943 ble kommunikasjonen brutt helt. Samarbeidet ble gjenopptatt med den trilaterale Québec-avtalen mellom Canada, Storbritannia og USA av 17. august 1943. Storbritannia la ned sitt eget bombeprosjekt, og de britiske vitenskapsfolkene gikk inn i det amerikanske teamet, fri informasjonsutveksling ble sikret, og hver part fikk vetorett mot bruk av bomben.

Etter at USA gikk inn i krigen i desember 1941, fikk det amerikanske kjerneprogrammet ressurser på høyeste nivå, uten noen budsjettbegrensninger.

Arthur Compton i Chicago fikk ansvaret for å oppnå kjedereaksjonen for produksjon av plutonium, Ernest Lawrence i Berkeley for elektromagnetisk isotopseparasjon av ²³⁵U med spesialkonstruerte syklotroner, og Harold Urey for isotopseparasjon med sentrifuger og gassdiffusjon.

General Leslie Groves blir i september 1942 utnevnt til militær leder for prosjektet, som nå kalles «Manhattan Engineering District» (MED). Han gir straks høyeste prioritet til å skaffe de nødvendige materialene og velger ut et område på omkring 230 kvadratkilometer i Tennessee (Oak Ridge) der laboratoriene for produksjon av fissilt materiale skal bygges.

Bildet til høyre: Kart over Oak Ridge-anlegget som ble bygd for produksjon av fissilt materiale. I løpet av noen få måneder ble det i dette landbruksområdet bygd ikke bare enorme laboratorier, men også en by med 13000 innbyggere og et nett av asfalterte veier på 500 km. I løpet av det neste året nådde byen 42000 innbyggere.

Enrico Fermis eksperimenter med reaktorstabler av naturlig uran og grafitt av høyere kvalitet gjorde ham sikker på at han kunne oppnå en selvopprettholdende kjedereaksjon. Den 16. november 1942 begynte han byggingen av en demonstrasjonsstabel (CP1) i Chicago, med hjelp fra Wigner til de teoretiske beregningene.

Den første selvopprettholdende kjedereaksjonen ble oppnådd den 2. desember 1942. Det bekreftet at kjernefisjon kunne brukes til å produsere energi, og skapte en kilde til plutonium for bomben.

CP1 blir straks demontert, og materialene blir tatt vare på til en større stabel, CP2, i det nye laboratoriet i Argonne-skogen nær Chicago.

Bildet til venstre: Vesttribunen på Stagg Stadium ved University of Chicago, der CP1 ble bygd under tribunen.

Det ble arbeidet med to metoder for uranseparasjon.

Metoden med elektromagnetisk separasjon bygger på prinsippet om at ladde legemer avbøyes når de beveger seg i et magnetfelt. Tyngre ioner avbøyes mindre enn lettere ioner. Samlere som plasseres riktig, kan utnytte denne separasjonen.

Metoden med diffusjon bygger på at de lettere molekylene i en gass har høyere gjennomsnittsfart enn de tyngre molekylene. En komprimert gass av en uranforbindelse får diffundere gjennom en porøs barriere: de litt lettere ²³⁵U-molekylene har større sjanse for å slippe ut gjennom hullene (som har en diameter på en brøkdel av en mikrometer). Gassen som kommer ut, og som er svakt anriket på den ønskede isotopen (3 deler per 1000), komprimeres så på nytt, og prosessen gjentas. Ved anlegget i Oak Ridge nådde det samlede arealet av separasjonsbarrierene i 1945 flere tusen kvadratmeter, og anlegget produserte uran anriket til opptil 10 %.

Bildet over til høyre: Skjematisk diagram over gasstrømmen i en diffusjonskaskade.

For selve konstruksjonen av bomben bestemte J. Robert Oppenheimer, vitenskapelig leder for MED, seg for å samle alle de nødvendige vitenskapsfolkene og tekniske ekspertene i et nytt, hemmelig laboratorium, som ble bygd i Los Alamos, et avsidesliggende platå i New Mexico, vinteren 1942–1943. I mars 1943 begynte laboratoriet, som University of California hadde ansvaret for, grunnforskningen for å framstille «et praktisk militært våpen». Flere forskningsapparater ble flyttet dit fra hele USA: syklotronen fra Harvard, to Van de Graaff-akseleratorer fra Wisconsin, en Cockcroft–Walton-akselerator fra Illinois osv. Befolkningen i Los Alamos ble fordoblet hver 9. måned og nådde over 5000 i 1945.

Til tross for de militære begrensningene klarte Oppenheimer å bevare stilen fra en vitenskapelig institusjon og gjøre forskningsarbeidet givende. Livet der var hardt, men spennende, og kontakten med erfarne vitenskapsfolk ga unge fysikere viktige ferdigheter.

Veien til plutonium begynner med at ²³⁸U får absorbere ett nøytron i en kjernereaktor som drives med langsomme nøytroner. Etter prototypestablene CP1 og CP2 bygde industriselskaper tre store reaktorer i et nytt, hemmelig anlegg i Hanford (Washington) og én i Oak Ridge.

I Los Alamos begynte forskningen på de kjemiske, fysiske og metallurgiske egenskapene til det nye materialet så snart plutonium ble levert, først i grammengder og fra våren 1945 i betydelige mengder, nok til å framstille tre bomber.

Den 3. juli 1945 ble ²³⁵U-bomben, kalt «Little Boy», ferdigstilt i Los Alamos. Det fissile materialet var anriket til 86 % for 3 kritiske masser på omkring 60 kg hver. Detonasjonen var basert på kanonmetoden og brukte et kanonløp som var 180 cm langt og veide 453 kg.

Little Boy var omkring 3 m lang med en diameter på 70 cm, liten nok til å få plass i bomberommet på et B-29-bombefly, og hadde en totalvekt på omkring 4000 kg. Vitenskapsfolkene hadde full tillit til at den ville virke, og ingen forberedende prøver ble ansett som nødvendige.

Plutoniumbomben «Fat Man» hadde en plutoniumkjerne som veide omkring 6,1 kg, og krevde en detonasjon basert på implosjonsmetoden for å unngå fordetonasjon, med omkring 2300 kg høyeksplosivt sprengstoff. Kjernen, uranreflektoren og sprengstoffet ble holdt på plass av en metallkule laget av tolv femkantede seksjoner. Våpenet hadde stabiliseringsfinner og et beskyttende, eggformet ytre skall med en diameter på 150 cm. «Fat Man» var omkring 365 cm lang og veide omkring 4900 kg.

Bildet: Fat Man-bomben gjøres klar på Tinian i Marianene for å slippes over Nagasaki.

Implosjonsmetoden var helt ny, og de forberedende delprøvene ga ikke full sikkerhet.

Siden det fantes nok plutonium, ble det derfor gjennomført en avsluttende prøve av den komplette bomben ved Alamogordo i ørkenen i New Mexico, på et sted som ble kalt Trinity, i midten av juli 1945.

Våpenets virkningsgrad var 17 %, med en sprengkraft på 22 kt. Prøven gjorde det også mulig å kontrollere flere tekniske detaljer, men hovedmålet var å oppleve virkningene av en kjernefysisk eksplosjon direkte.

Ingen av vitnene til den første kjernefysiske eksplosjonen var forberedt på det som faktisk skjedde: fra det første lysglimtet og den tidlige ildkula uten en lyd, gjennom den tause varmen fra lyspulsen, som et samtidig hardt slag mot begge kinnene, til trykkbølgen som raste over ørkenbunnen, og skyen av rester som formet den illevarslende soppformen.

Bildet til høyre: Den første ildkula fra den aller første kjernefysiske eksplosjonen på jorda, 16. juli 1945.

Hvordan en kjernefysisk eksplosjon utvikler seg, og hvilke virkninger den får, avhenger i tillegg til sprengkraften av hva slags eksplosjon det er, dvs. i luften, i stor høyde, på bakken, under vann eller under jorda, og av de konkrete værforholdene og terrengets beskaffenhet.

De viktigste fenomenene er likevel de samme. Den store energimengden som produseres i løpet av eksplosjonens korte varighet, varmer opp materialene til temperaturer på flere titalls millioner grader, og det oppstår trykk på en million ganger atmosfæretrykket. Store energimengder stråles ut, hovedsakelig som røntgenstråling, som absorberes av luften, og det dannes en ekstremt varm og glødende luftmasse. Denne ildkula vokser og stiger, samtidig som temperaturen synker. Etter et minutt opphører lysutstrålingen, og skyen har steget til omkring 7 km høyde.

Bildeserien til venstre viser de første 4 sekundene av ildkulas utvikling under Trinity-prøven.

Tidlig i 1945 ble det klart at de allierte var i ferd med å vinne krigen både i Europa og i Stillehavet. Flere vitenskapsfolk begynte å diskutere de samfunnsmessige og politiske konsekvensene av kjernekraften og følgene av å faktisk bruke bomben. I juni 1945 foreslo James Francks rapport at man skulle advare Japan og demonstrere bombens kraft i et ubebodd område, med tanke på de ødeleggende virkningene. Et vitenskapelig panel bestående av Compton, Fermi, Lawrence og Oppenheimer ble opprettet for å gi råd til Interim Committee, og det la fram vitenskapsfolkenes synspunkter.

Etter samråd med alle de allierte ble en direkte militær bruk av våpenet likevel ansett som nødvendig, selv om man for framtiden så for seg et åpent internasjonalt samarbeid om utvikling av sivil kjernekraft.

Om morgenen den 6. august 1945 kl. 8.15 ble Little Boy sluppet over Hiroshima og eksploderte 580 m over byen, med en sprengkraft på mellom 12 kt og 15 kt. Den 9. august 1945 kl. 11.02 eksploderte Fat Man 503 m over Nagasaki; sprengkraften var større enn 22 kt. De to byene ble ødelagt, med mer enn hundre tusen drepte og hundre tusen skadde. Japan kapitulerte, og andre verdenskrig var slutt. Den endelige beslutningen om å slippe bomben var både militært motivert, for å unngå store tap av menneskeliv ved en invasjon av Japan, og politisk motivert, for å avslutte krigen før Sovjetunionen kunne ekspandere i stillehavsområdet.

Bildet: Oberst Paul W. Tibbets jr. ved B-29-bombeflyet sitt «Enola Gay» før avgangen til Hiroshima.

Etter krigen begynte man å se på perspektivene for sivil og militær kjernekraft. Den nye amerikanske presidenten, Harry S. Truman, oppretter en «Interim Committee» som skal ta stilling til bruken av våpnene og hvordan et kjerneprogram for framtiden skal utformes. Blant beslutningene som måtte tas, var om man skulle gå videre med internasjonalt samarbeid eller føre en politikk med amerikansk monopol.

Men andre verdenskrig var et vendepunkt i forholdet mellom vitenskapsfolk og myndigheter. Vitenskapsfolkene oppfant og bygde ikke bare nye våpen, de fremmet dem aktivt og var med på å bestemme når og hvordan de skulle brukes, og ble fullverdige partnere i den politiske beslutningsprosessen.

Atombombens militære og politiske suksess og de økonomiske utsiktene for kjerneenergi ga vitenskapsmiljøet synlighet og makt overalt. Storbritannia, Russland og Frankrike trengte vitenskapsfolk for å bygge sine egne kjernevåpenarsenaler. I USA fikk fysikerne store økonomiske bevilgninger og klarte, mot det militære etablissementets ønske, å vinne ansvaret for å kontrollere utviklingen av kjerneenergi. I USA ble kjernekraftpolitikken delegert til Atomic Energy Commission, et organ under sivil kontroll.