Гейзенберг изучал возможные проекты «машины», позволявшие уловить максимально возможное число нейтронов и обеспечить поддержание цепной реакции.
Прототипы содержали чередующиеся слои металлического урана и замедлителя, которые имели форму сферы или цилиндра. Изучив результаты измерений, полученные Вальтером Боте, Гейзенберг отказался от использования графита в качестве замедлителя и предложил заменить его тяжелой водой, в которой вместо атомов водорода содержатся атомы его изотопа, дейтерия.
Союзники пошли по другому пути, так как получить графит, даже высокой степени очистки, проще, чем тяжелую воду. Единственная в мире фабрика по ее производству находилась в норвежском городе Веморк. Месячная норма выпуска составляла примерно 300 литров. Немцы получили доступ к тяжелой воде лишь после оккупации Норвегии в апреле 1940 года, однако производство прерывалось в результате атак норвежского Сопротивления и бомбардировок союзников. В 1943 году фабрика была полностью разрушена. Вскоре после подготовки доклада Гейзенберг возглавил работу над прототипом, которая велась в Лейпциге, а также был привлечен в качестве консультанта к постройке прототипа в Берлине.
С самого начала стало понятно, что обогащение урана U235 – крайне трудная задача. Требовалось отделить изотопы U238 и U235 на основе очень малой разницы масс, для чего применялся метод газовой диффузии, ультрацентрифуга или масс-спектрограф. Однако количество изотопа U235, полученное в ходе лабораторных опытов, было в тысячи и даже миллионы раз меньше, чем требовалось. По оценкам Гейзенберга, критическая масса U235 составляла от 20 кг («размером с ананас») до нескольких тонн.
Вскоре немецкие и американские физики одновременно обнаружили альтернативу U235. Когда неустойчивый изотоп U238 захватывает нейтрон, то превращается в изотоп U239. При распаде этого изотопа образуется элемент с Z = 93 – сегодня он называется нептуний-239 (Np239). Карл Фридрих фон Вайцзеккер подготовил секретный доклад, в котором указал, что этот элемент также можно использовать для изготовления бомбы. Важное отличие Np239 от U235 заключалось в том, что нептуний можно было получить химическими методами. Np239 распадается за несколько дней, а результатом распада является элемент с Z = 94, известный сегодня как плутоний Pu239. Он также нестабилен, однако его период полураспада составляет примерно 25 000 лет, так что получение и хранение элемента не представляет особых трудностей и позволяет при необходимости применять в военных целях гражданские атомные реакторы. В конце августа 1941 года немецкие ученые увидели, что перед ними, как позднее вспоминал Гейзенберг, «открылся путь, ведущий к атомной бомбе». Но чтобы следовать этим путем, требовался работающий ядерный реактор, а построить его никак не удавалось.
В декабре 1941 года произошли два события, которые повлияли на планы немецких военных: в войну вступили Соединенные Штаты Америки, а продвижение немецких войск на Восточном фронте замедлилось. План блицкрига провалился, и теперь победа зависела от имевшихся промышленных и трудовых ресурсов. С декабря 1941 по июнь 1942 года руководители немецкой ядерной программы провели несколько совещаний с властями, чтобы принять окончательное решение о создании бомбы. Гейзенберг участвовал во всех совещаниях и неизменно заявлял одно и то же: для создания нового оружия требуется несколько лет. В числе основных препятствий он называл технические сложности, связанные с необходимостью постройки реактора и выделением обогащенного урана U235. На последней встрече министр вооружений Альберт Шпеер пришел к выводу, что до окончания войны в лучшем случае удастся построить реакторы для кораблей и подводных лодок, поэтому решил уделить основное внимание проектам Вернера фон Брауна по созданию крылатых ракет. Круг работ в рамках ядерной программы был ограничен созданием реактора. Немалую роль в принятии решения сыграла также убежденность немецких ученых и военных в том, что Германия опережает союзников в исследованиях, посвященных делению ядра, так что атомная бомба не должна оказать определяющего влияния на исход войны.
