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。
曼哈頓計劃前期早在1939年即秘密地展開，原名為“代用材料項目發展”（Development of Substitute Materials），後改為“曼哈頓工程區”（Manhattan District）；期間，美方也吸收了較早展開的英國核武器研發計劃——“合金管工程”之成果。1941年12月7日，日本偷襲美國珍珠港，美國隨即對日宣戰，自此美國正式捲入第二次世界大戰。此時，納粹德國已經開始了德國核武器開發計劃“鈾計劃”（德語：Uranprojekt），目的是製造出核武器並運用在二戰之中。因此，包括阿爾伯特·愛因斯坦在內的一些美國及同盟國科學家提出要在納粹德國之前研發出原子彈，該提議獲得時任美國總統富蘭克林·羅斯福的支持。
曼哈頓計劃於1942年8月13日正式命名，僱用了超過13萬人員，花費了將近20億美金（相當於2018年230億美金），超過90％的費用用於建造工廠和製造核裂變的原材料，用於製造和發展武器的部分僅佔不到10％，此一工程在橫跨美國、英國和加拿大三國的30多個城市中均有進行。1942年12月2日，在恩里科·費米的領導下，世界上第一個可控核反應堆在芝加哥大學建成（芝加哥1號堆，Chicago Pile-1），成功實現了可控的核鏈式反應。1943年春，奧本海默領導科研人員開始在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行原子彈的製造工作。 1944年，美國田納西州的橡樹嶺工廠利用歐內斯特·勞倫斯發明的電磁同位素分離法等方法生產出第一批濃縮鈾原材料。 1945年7月12日，第一顆實驗性原子彈開始最後的裝配；7月16日，美國的第一顆原子彈在新墨西哥州的沙漠中試爆成功，史稱“三位一體”核試驗，爆炸當量大約21,000噸TNT炸彈。 1945年8月6日，美軍向日本廣島投放名為“小男孩”的原子彈；8月9日，美軍向日本長崎投擲名為“胖子”的原子彈。8月15日，日本宣告無條件投降，第二次世界大戰結束。
第二次世界大戰期間，美軍實際研發出兩種類型的原子彈：其中一種設計上較簡單、使用鈾235製成的“槍式”，另一種設計上較為複雜、使用鈈元素製成的“內爆式”。其中小男孩採用前者的槍式設計，而胖子採用後者的內爆式設計。 由於鈾235在天然鈾中僅佔0.7％，其他絕大部分都是質量相同、難以分離的同位素鈾238，故美方以三種分離方式來提高其鈾-235的濃度——電磁（“電磁型同位素分離器”）、氣體（“氣體擴散法”）與熱（“索瑞特效應”），大部分工作都在田納西州橡樹嶺一地進行（橡樹嶺國家實驗室）。 而鈈元素於1940年在伯克利加州大學首次被發現，之後便作為核原料被研究、提純、使用。
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