Весною 1940 года в лабораторию Э. Ферми начали поступать первые крупные партии чистого графита и урана. Опыты продвигались медленно, но все же весной 1941 года Ферми приступил к сооружению «малого атомного котла».
В это же время в Калифорнийском университете в Беркли научный коллектив в составе Глена Сиборга, Артура Валя, Джозефа Кеннеди и итальянского ученого Эмилио Сегре открыли, выделили и определили физические и химические свойства давно ожидаемого трансуранового искусственного элемента под номером 94. Его назвали плутонием. Это удалось сделать, бомбардируя ядра урана ядрами водорода — дейтронами на мощном циклотроне Количество полученного плутония-239 было столь мало, что рассмотреть образец можно было только под микроскопом.
Несколько ранее, в 1940 году Эдван Макмиллан и Филипп Абельсон, бомбардируя ядра урана нейтронами, получили искусственный элемент под номером 93, названный нептунием, который, распадаясь, переходил в плутоний, но выделить достаточное количество плутония и определить его свойства ученым не удалось.
Открытие плутония было чрезвычайно важным событием. Он, как и ожидали ученые, походил на уран-235 и мог быть использован в качестве ядерного горючего в атомном реакторе или боевого заряда в атомной бомбе. Оставалось получить новый элемент в промышленных масштабах. Циклотрон для этой цели не годился, требовался ядерный котел, над которым работал Ферми. Открытие плутония весьма облегчило работы Ферми в этом направлении.
2 октября 1942 года в Металлургической лаборатории Чикагского университета, под трибунами университетского стадиона, Энрико Ферми впервые в мире получил самоподдерживающуюся цепную реакцию в природном уране Ферми торжествовал — цепная реакция была самым крупным научным и техническим достижением за всю историю развития атомной науки. Путь к накоплению плутония в промышленном масштабе и создание этим способом атомной бомбы был открыт.
К этому времени Энрико Ферми, весь его персонал и лаборатория находились уже в руках американской Армии, которой была поручена разработка и производство атомного оружия. Этот проект был утвержден Президентом 17 июня 1942 года. С августа 1942 года проект стал называться — «Манхеттен проект''. 17 сентября 1942 года во главе проекта был поставлен бригадный генерал Лесли Гровс, командовавший до этого инженерно-строительными войсками. Ранее под его руководством было сооружено гигантское здание Пентагона. Он никогда не был связан с атомными проектами и учеными атомщиками и это поначалу вносило определенные трудности. Однако, завидная настойчивость, организационный талант, большой опыт практической деятельности позволили генералу Гровсу совместно с научным руководителем проекта физиком-теоретиком Робертом Оппенгеймером объединить усилия многих ученых, лабораторий, крупнейших строительных и машиностроительных фирм, собственный персонал в 150 тысяч человек. В результате огромный и чрезвычайно сложный труд увенчался успехом.
