L'eau lourde peut servir de modérateur de neutrons dans un réacteur nucléaire, ce qui ralentit les particules rapides et encourage la réaction de fission. Les neutrons dans une réaction de fission se déplacent rapidement ou lentement. Les neutrons rapides ont tendance à être absorbés par certains isotopes de l'uranium plutôt que de poursuivre la réaction de fission, mais les atomes de deutérium plus gros dans l'eau lourde aident à ralentir ces neutrons rapides, garantissant qu'ils poursuivent la réaction en chaîne.
Les molécules d'eau lourdes sont lourdes car elles contiennent du deutérium. Ordinairement, le noyau d'un atome d'hydrogène se compose d'un seul proton, mais le deutérium est un isotope de l'hydrogène qui contient un neutron ainsi qu'un proton, augmentant considérablement le poids de l'élément et modifiant ses propriétés atomiques.
Les réacteurs à eau lourde offrent certains avantages par rapport à ceux qui utilisent de l'eau normale ou légère comme modérateur de neutrons. L'eau lourde permet d'utiliser l'uranium naturel comme combustible, tandis que les réacteurs à eau légère nécessitent de l'uranium enrichi, beaucoup plus difficile à produire. De plus, les réacteurs à eau lourde peuvent être utilisés pour convertir l'uranium naturel en matériau de qualité militaire dans le cadre du processus de fission, une menace potentielle pour la non-prolifération nucléaire. Pour cette raison, l'importation et l'exportation de grandes quantités d'eau lourde sont réglementées dans de nombreux pays, et le commerce international de l'eau lourde est soumis à un examen minutieux.
