Nước nặng có thể đóng vai trò là chất điều tiết nơtron trong lò phản ứng hạt nhân, làm chậm các hạt nhanh và khuyến khích phản ứng phân hạch. Các nơtron trong phản ứng phân hạch di chuyển nhanh hoặc chậm. Các neutron nhanh có xu hướng bị hấp thụ bởi một số đồng vị của uranium hơn là tiếp tục phản ứng phân hạch, nhưng các nguyên tử deuterium lớn hơn trong nước nặng giúp làm chậm các neutron nhanh này, đảm bảo chúng tiếp tục chuỗi phản ứng.
Các phân tử nước nặng vì chúng chứa đơteri. Thông thường, hạt nhân của nguyên tử hydro bao gồm một proton duy nhất, nhưng đơteri là một đồng vị của hydro chứa một neutron cũng như một proton, làm tăng đáng kể trọng lượng của nguyên tố và làm thay đổi tính chất nguyên tử của nó.Lò phản ứng nước nặng mang lại một số ưu điểm so với những lò sử dụng nước bình thường hoặc nhẹ làm chất điều tiết nơtron. Nước nặng cho phép sử dụng uranium tự nhiên làm nhiên liệu, trong khi các lò phản ứng nước nhẹ yêu cầu uranium được làm giàu, khó sản xuất hơn nhiều. Ngoài ra, các lò phản ứng nước nặng có thể được sử dụng để chuyển đổi uranium tự nhiên thành vật liệu cấp vũ khí như một phần của quá trình phân hạch, một mối đe dọa tiềm tàng đối với việc không phổ biến hạt nhân. Vì lý do này, việc nhập khẩu và xuất khẩu một lượng lớn nước nặng được quy định ở nhiều quốc gia và hoạt động buôn bán quốc tế về nước nặng đang bị giám sát chặt chẽ.
