L'acqua pesante può fungere da moderatore di neutroni in un reattore nucleare, che rallenta le particelle veloci e incoraggia la reazione di fissione. I neutroni in una reazione di fissione viaggiano veloci o lentamente. I neutroni veloci tendono ad essere assorbiti da certi isotopi di uranio piuttosto che continuare la reazione di fissione, ma gli atomi di deuterio più grandi nell'acqua pesante aiutano a rallentare questi neutroni veloci, assicurando che continuino la reazione a catena.
Le molecole di acqua pesante sono pesanti perché contengono deuterio. Normalmente, il nucleo di un atomo di idrogeno consiste in un singolo protone, ma il deuterio è un isotopo di idrogeno che contiene un neutrone e un protone, aumentando enormemente il peso dell'elemento e alterando le sue proprietà atomiche.
I reattori ad acqua pesante offrono alcuni vantaggi rispetto a quelli che usano l'acqua normale o leggera come moderatore di neutroni. L'acqua pesante consente l'utilizzo dell'uranio naturale come combustibile, mentre i reattori ad acqua leggera richiedono l'uranio arricchito, che è molto più difficile da produrre. Inoltre, i reattori ad acqua pesante possono essere utilizzati per convertire l'uranio naturale in materiale per armi come parte del processo di fissione, una potenziale minaccia alla non proliferazione nucleare. Per questo motivo, l'importazione e l'esportazione di grandi quantità di acqua pesante è regolamentata in molti paesi e il commercio internazionale di acque pesanti è soggetto a controllo.
