Trên Trái Đất, nước bán nặng, HDO, xuất hiện tự nhiên trong nước thông thường ở tỷ lệ khoảng 1 phân tử trên 3.200. Điều này có nghĩa là 1 trên 6.400 nguyên tử hiđrô là đơteri, chiếm khoảng một phần 3.200 theo trọng lượng của hiđrô. HDO có thể tách ra từ nước thông thường nhờ chưng cất hay điện phân hay một số quá trình trao đổi hóa học khác, tất cả chúng đều sử dụng hiệu ứng đồng vị động lực. (Để có thêm thông tin về phân bố đồng vị của đơteri trong nước, xem Chuẩn Vienna nước đại dương trung bình (VSMOW).)

Khác biệt về khối lượng giữa hai đồng vị của hiđrô chuyển dịch thành khác biệt trong năng lượng điểm 0 và vì thế thành khác biệt nhỏ trong tốc độ mà phản ứng diễn ra. Khi HDO trở thành một phần đáng kể của nước, nước nặng sẽ trở nên nhiều hơn do các phân tử nước trao đổi các nguyên tử hiđrô rất thường xuyên. Để sản xuất nước nặng tinh khiết bằng chưng cất hay điện phân đòi hỏi một tầng các lò cất lớn hay các khoang điện phân, và tiêu thụ một lượng điện năng lớn, vì thế nói chung các phương pháp hóa học nói chung được ưa thích hơn. Phương pháp hóa học quan trọng nhất là quy trình sulfua Girdler.

Hoa Kỳ

Năm 1953, Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng nước nặng trong các lò phản ứng sản xuất plutoni tại tổ hợp sông Savannah (SRS). Lò phản ứng đầu tiên trong số 5 lò đã đi vào hoạt động năm 1953, và lò cuối cùng bị tắt năm 1996. Các lò phản ứng tại SRS là các lò phản ứng nước nặng sao cho chúng có thể sản xuất cả plutoni và triti cho chương trình vũ khí hạt nhân của Hoa Kỳ.

Hoa Kỳ đã phát triển quy trình sản xuất bằng trao đổi hóa học sulfua Gidler, lần đầu tiên được biểu lộ ở quy mô lớn tại nhà máy ở Dana năm 1945 và tại nhà máy van sông Savannah, Nam Carolina năm 1952. Nhà máy sông Savannah (SRP) do DuPont vận hành cho Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (USDOE) đến ngày 1 tháng 4 năm 1989, sau đó bàn giao lại cho Westinghouse.

Na Uy

Năm 1934, Norsk Hydro xây dựng nhà máy sản xuất nước nặng thương mại đầu tiên tại Vemork, Tinn, với công suất 12 tấn mỗi năm. Từ năm 1940 và trong suốt Đại chiến thế giới lần thứ hai thì nhà máy này nằm dưới sự kiểm soát của Đức quốc xã và Đồng minh đã quyết định phải phá hủy nhà máy cùng nước nặng của nó để ngăn ngừa Đức phát triển các vũ khí hạt nhân. Cuối năm 1942, cuộc đột kích đã lên kế hoạch của không quân Anh bị thất bại, cả hai tàu lượn đều bị rơi. Những người đột kích bị người Đức giết chết sau khi tàu lượn rơi hoặc bị tử hình sau đó. Nhưng vào đêm 27 tháng 2 năm 1943 chiến dịch Gunnerside đã thành công. Đặc công Na Uy và lực lượng du kích địa phương đã kịp thời phá hủy các bộ phận nhỏ nhưng quan trọng của các lò điện phân, đổ nước nặng đã tích lũy được vào hệ thống thoát nước của nhà máy. Điều này dã góp một phần vào việc ngăn chặn Đức xây dựng lò phản ứng hạt nhân.

Ngày 16 tháng 11 năm 1943, lực lượng không quân của Đồng minh đã ném trên 400 quả bom vào khu vực này. Cuộc đột kích đường không của Đồng minh đã thúc đẩy chính quyền Đức quốc xã di chuyển toàn bộ lượng nước nặng sẵn có về Đức để đảm bảo an toàn. Ngày 20 tháng 2 năm 1944, du kích Na Uy đã đánh chìm phà SF Hydro chở nước nặng đi ngang qua hồ Tinn, với 14 thường dân Na Uy bị chết và gần như toàn bộ lượng nước nặng bị mất. Chỉ một ít thùng chứa không đầy là nổi trên mặt nước và có thể được vớt lên và vận chuyển về Đức. Sự kiện này đã được viết thành kịch bản cho bộ phim năm 1965, The Heroes of Telemark (Những người hùng của Telemark).

Tuy nhiên, điều tra gần đây[cần dẫn nguồn] về hồ sơ sản xuất tại Norsk Hydro và phân tích thùng còn nguyên vẹn được vớt lên năm 2004 phát hiện ra rằng mặc dù các thùng trong chuyến giao hàng này chứa nước có pH bằng 14 — chỉ thị về quy trình tinh chế điện giải kiềm — nhưng chúng không chứa nồng độ cao của D2O. Mặc cho kích thước bề ngoài của chuyến giao hàng, tổng lượng nước nặng tinh khiết là quá nhỏ, phần lớn các thùng chỉ chứa 1/2–1% nước nặng tinh khiết. Người Đức cần phải có nhu cầu tổng cộng khoảng 5 tấn nước nặng để có thể vận hành lò phản ứng hạt nhân. Bản báo cáo chỉ rõ ra rằng khi đó chỉ có khoảng nửa tấn nước nặng được vận chuyển về Đức. Norsk Hydro đã vận chuyển quá ít nước nặng thậm chí chỉ cho một lò phản ứng, để lại 10 tấn hay nhiều hơn thế cần thiết để sản xuất đủ plutoni cho vũ khí hạt nhân. Chuyến giao hàng của Norsk Hydro ngày 20 tháng 2 năm 1944 có lẽ chỉ dành riêng cho dự án lò phản ứng thực nghiệm.

Canada

Là một phần trong đóng góp của mình cho Dự án Manhattan, Canada đã xây dựng và vận hành nhà máy nước nặng bằng điện phân công suất 6 tấn mỗi năm tại Trail, BC, bắt đầu hoạt động năm 1943.

Atomic Energy of Canada Limited (AECL) thiết kế lò phản ứng sản xuất điện càn phải có một lượng lớn nước nặng trong vai trò tác nhân điều tiết nơtron và chất làm mát. AECL đã đặt hàng 2 nhà máy nước nặng, được xây dựng và vận hành tại Canada Đại Tây Dương ở Glace Bay (bởi đơterium of Canada Limited) và Port Hawkesbury, Nova Scotia (bởi General Electric Canada). Các nhà máy này tỏ ra có các vấn đề về thiết kế, xây dựng và sản xuất đáng kể và vì thế AECL đã xây dựng nhà máy nước nặng Bruce, sau đó bán cho Ontario Hydro, để đảm bảo nguồn cung cấp tin cậy về nước nặng cho các nhà máy phát điện trong tương lai. Hai nhà máy tại Nova Scotia đã đóng cửa năm 1985 khi sản xuất của họ tỏ ra là không cần thiết.

Nhà máy nước nặng Bruce tại Ontario đã từng là nhà máy sản xuất nước nặng lớn nhất thế giới với công suất 700 tấn mỗi năm. Nó sử dụng quy trình sulfua Girdler để sản xuất nước nặng, và cần có 340.000 tấn nước đầu vào để sản xuất 1 tấn nước nặng. Nó là một phần của tổ hợp bao gồm 8 lò phản ứng CANDU cung cấp nhiệt và năng lượng cho nhà máy nước nặng. Tổ hợp nằm tại Douglas Point ở quận Bruce bên hồ Huron nơi nó có thể lấy nguồn nước từ Ngũ Đại Hồ.

Nhà máy Bruce đã được ủy nhiệm vào năm 1979 để cung cấp nước nặng cho nhu cầu lớn và gia tăng của các trạm phát điện hạt nhân ở Ontario. Nhà máy đã chứng tỏ là có hiệu quả đáng kể hơn so với dự trù và chỉ ba trong bốn khối đã lên lịch cuối cùng đã được ủy nhiệm. Bên cạnh đó, chương trình điện hạt nhân đã chậm dần xuống và cuối cùng đã dừng lại do sự cung cấp dư thừa điện năng, sau này được chỉ ra chỉ là tạm thời, vào năm 1993. Hiệu quả được cải thiện trong sử dụng và tái chế nước nặng cộng với sản xuất quá dư thừa tại Bruce đã làm cho Canada cỏ đủ lượng nước nặng cho các nhu cầu dự kiến trong tương lai. Bên cạnh đó, quy trình Girdlerdùng một lượng lớn sulfua hiđrô, gây ra các e ngại về môi trường nếu như nó bị thoát ra. Nhà máy nước nặng Bruce đã bị đóng cửa năm 1997, sau đó nhà máy này bị tháo dỡ dần và khu vực này được dọn sạch.

Atomic Energy of Canada Limited (AECL) hiện tại đang nghiên cứu các quy trình khác hiệu quả hơn và thân thiện môi trường hơn để sản xuất nước nặng. Điều này là thiết yếu cho tương lai của các lò phản ứng CANDU do nước nặng chiếm khoảng 20% chi phí vốn của mỗi lò phản ứng.

Ấn Độ

Ấn Độ là nhà sản xuất nước nặng lớn thứ hai thế giới thông qua các cơ sở của Heavy Water Board.

Iran

Ngày 26 tháng 8 năm 2006, tổng thống Iran Ahmadinejad đã khai mạc sự mở rộng nhà máy nước nặng của quốc gia này gần Arak. Iran đã chỉ ra rằng thiết bị sản xuất nước nặng sẽ hoạt động cùng với lò phản ứng nghiên cứu công suất 40 MW đã có lịch trình hoàn công vào năm 2009[10]Trong cuộc phỏng vấn được phát trên Kênh Thời sự của Iran (IRINN) ngày 27 tháng 8 năm 2006, người đứng đầu chương trình hạt nhân của Iran, Mohammad Sa'idi cho rằng nước nặng sẽ được dùng để điều trị AIDS và ung thư. Sử dụng hàng ngày cũng được khuyến cáo[11].

Các quốc gia khác

Argentina là nhà sản xuất nước nặng đã tuyên bố khác, sử dụng công nghệ trao đổi amoniac/hiđrô do công ty Thụy Sĩ Sulzer cung cấp.

România cũng sản xuất nước nặng tại nhà máy sulfua Girdler Drobeta và đã xuất khẩu nó.

Pháp vận hành một nhà máy nhỏ trong thập niên 1950 và 1960.

Tại Vương quốc Anh, Bộ Năng lượng Nguyên tử đã xây dựng một trạm tại hồ Morar năm 1947, có thể là điều tra việc sử dụng hồ làm nguồn nước nặng[12].