Ciężka woda może służyć jako moderator neutronów w reaktorze jądrowym, który spowalnia szybkie cząstki i sprzyja reakcji rozszczepienia. Neutrony w reakcji rozszczepienia poruszają się szybko lub wolno. Szybkie neutrony są raczej pochłaniane przez pewne izotopy uranu niż kontynuacja reakcji rozszczepienia, ale większe atomy deuteru w ciężkiej wodzie pomagają spowolnić te szybkie neutrony, zapewniając kontynuację reakcji łańcuchowej.
Cząsteczki ciężkiej wody są ciężkie, ponieważ zawierają deuter. Zazwyczaj jądro atomu wodoru składa się z pojedynczego protonu, ale deuter jest izotopem wodoru, który zawiera jeden neutron, a także jeden proton, znacznie zwiększając masę pierwiastka i zmieniając jego właściwości atomowe.
Reaktory ciężkiej wody mają pewne zalety w stosunku do tych, które używają normalnej lub lekkiej wody jako moderatora neutronów. Ciężka woda pozwala na wykorzystanie naturalnego uranu jako paliwa, podczas gdy reaktory lekkiej wody wymagają wzbogaconego uranu, który jest znacznie trudniejszy w produkcji. Dodatkowo, reaktory ciężkiej wody mogą być używane do konwersji naturalnego uranu w materiał do produkcji broni w ramach procesu rozszczepiania, co stanowi potencjalne zagrożenie dla nieproliferacji jądrowej. Z tego powodu import i eksport dużych ilości ciężkiej wody jest regulowany w wielu krajach, a międzynarodowy handel ciężką wodą jest otwarty na kontrolę.
