Cộng hưởng từ hạt nhân

đơteri ôxít được sử dụng trong phổ học cộng hưởng từ hạt nhân khi dung môi cần quan tâm là nước và nuclid là hiđrô. Điều này là do tín hiệu từ dung môi nước có thể nhiễu vào tín hiệu từ phân tử cần quan tâm. đơteri có mômen từ khác với của hiđrô và vì thế không góp vào tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân ở tần số cộng hưởng của hiđrô.

Tác nhân điều tiết nơtron

Nước nặng được sử dụng trong một số kiểu lò phản ứng hạt nhân nhất định trong đó nó đóng vai trò như là tác nhân điều tiết nơtron để làm chậm nơtron sao cho chúng có thể phản ứng với urani trong lò phản ứng. Các lò phản ứng CANDU sử dụng kiểu thiết kế này. Nước nhẹ cũng có thể đóng vai trò như là tác nhân điều tiết nhưng do nó hấp thụ nhiều nơtron hơn so với nước nặng, nên các lò phản ứng sử dụng nước nhẹ phải dùng urani giàu chứ không phải urani tự nhiên, nếu khác đi thì điểm tới hạn là không thể. Việc sử dụng nước nặng làm tăng thực chất tính hiệu quả của phản ứng hạt nhân.

Do điều này, các lò phản ứng nước nặng sẽ là hiệu quả hơn trong việc sinh ra plutoni (từ urani-238) hay urani-233 (từ thori-232) so với các lò phản ứng nước nhẹ cùng kích thước, dẫn tới việc e ngại nhiều hơn về chúng khi đề cập tới phổ biến hạt nhân. Việc sản xuất ra và tách chiết plutoni có thể là hành trình tương đối nhanh và rẻ để chế tạo vũ khí hạt nhân, do việc tách hóa học của plutoni từ nhiên liệu là dễ hơn so với tách đồng vị của U-235 từ urani tự nhiên. Nước nặng điều tiết các lò phản ứng nghiên cứu hay các lò phản ứng sinh plutoni được xây dựng chuyên biệt đã được sử dụng cho mục đích này bởi phần lớn, nếu không là tất cả, các quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân, mặc dù về mặt lịch sử thì các vũ khí hạt nhân đầu tiên đã được sản xuất mà không có nó (nước nặng). Cacbon tinh khiết cũng có thể dùng như là tác nhân điều tiết, thậm chí trong các lò phản ứng hạt nhân dùng urani nghèo. Vì thế, tại Hoa Kỳ, lò phản ứng nguyên tử thực nghiệm đầu tiên (năm 1942), cũng như các lò phản ứng sản xuất Hanford của dự án Manhattan, trong đó sản xuất plutoni cho thử nghiệm Trinity và bom Fat Man, tất cả đều dùng tác nhân điều tiết nơtron là cacbon và hoạt động mà không cần cả urani giàu lẫn nước nặng.

Không có chứng cứ nào cho thấy các lò phản ứng nước nặng dân sự để sản xuất điện năng nào, chẳng hạn như các thiết kế của CANDU hay Atucha, đã từng được sử dụng trong sản xuất quân sự để tạo ra vật liệu phân hạch. Tại các quốc gia chưa sở hữu vũ khí hạt nhân, vật liệu hạt nhân tại các cơ sở như vậy nằm dưới sự giám sát của IAEA nhằm ngăn cản những ý định như vậy.

Do tiềm năng của nó trước việc sử dụng trong các chương trình vũ khí hạt nhân, việc chiếm hữu hay xuất/nhập khẩu lượng lớn nước nặng ở quy mô công nghiệp nằm dưới sự kiểm soát nhà nước tại một số quốc gia. Các nhà cung cấp nước nặng và công nghệ sản xuất nước nặng thông thường phải đệ đơn lên IAEA (Tổ chức Năng lượng Nguyên tử Quốc tế) để thi hành việc giám sát và các vật liệu liên quan tới nước nặng (Tại Australia theo Đạo luật không phổ biến (giám sát) hạt nhân 1987.). Tại Hoa Kỳ và Canada, các khối lượng nước nặng phi công nghiệp (nghĩa là ở mức gam tới kg) là có sẵn thông qua các nhà cung cấp hóa chất, và các công ty thương mại trực tiếp, chẳng hạn như nhà cựu sản xuất chính trên thế giới (Ontario Hydro), mà không cần phải có giấy phép đặc biệt. Vào năm 2006, giá thành của một kilôgam nước nặng độ tinh khiết tại lò phản ứng ở mức 99,98% là khoảng $600 tới $700. Các lượng nhỏ hơn với độ tinh khiết hợp lý (99,9%) có thể mua từ các nhà cung cấp hóa chất ở mức giá khoảng $1 mỗi gam.

Phát hiện nơtrino

Đài thiên văn Nơtrino Sudbury (SNO) ở Sudbury, Ontario sử dụng 1.000 tấn nước nặng vay từ Atomic Energy of Canada Limited. Thiết bị phát hiện nơtrino là đường hầm dài 2.073 m (6.800 ft) trong một mỏ sâu dưới đất, nhằm chắn nó từ các hạt muon sinh ra bởi các tia vũ trụ. SNO được xây dựng để trả lời câu hỏi về việc có hay không các nơtrino kiểu electron sinh ra bởi nhiệt hạch trong Mặt Trời (kiểu duy nhất mà Mặt Trời có thể sinh ra trực tiếp, phù hợp với lý thuyết) có thể chuyển thành các kiểu khác của nơtrino trên đường tới Trái Đất. SNO phát hiện bức xạ Cherenkov trong nước từ các electron cao năng lượng được sinh ra từ các nơtrino kiểu electron do chúng tham gia phản ứng với các nơtron có trong đơteri, chuyển hóa chúng thành các proton và electron (chỉ có các electron là di chuyển đủ nhanh để có thể được phát hiện theo cách này). SNO cũng phát hiện bức xạ tương tự từ các sự kiện thưa thớt trong chuyển hóa nơtrino↔electron, trong đó cũng sinh ra các electron cao năng lượng. Hai phản ứng này chỉ được tạo ra bởi các nơtrino kiểu electron. Việc sử dụng đơteri là then chốt đối với hoạt động của SNO, do tất cả ba kiểu nơtrino[13] có thể được phát hiện trong kiểu thứ ba của phản ứng, nơtrino-phân hủy, trong đó nơtrino của kiểu bất kỳ (electron, muon, tau) phân tán từ hạt nhân đơteri (đơteron), chuyển theo đủ năng lượng để phá vỡ đơteron liên kết lỏng lẻo thành nơtron tự do và proton. Sự kiện này được phát hiện khi nơtron tự do bị hấp thụ bởi ion Cl35− có trong NaCl được hòa tan có chủ tâm trong nước nặng, gây ra bức xạ các tia bắt gama đặc trưng. Vì thế, trong thực nghiệm này, nước nặng không chỉ cung cấp môi trường trong suốt cần thiết để sinh ra và trực quan hóa bức xạ Cherenkov, mà nó còn cung cấp đơteri để phát hiện các nơtrino kiểu mu (μ) và tau (τ) kỳ dị, cũng như trong vai trò của môi trường điều tiết không hấp thụ để bảo tồn các nơtron tự do từ phản ứng này, cho đến khi chúng có thể được hấp thụ bởi các đồng vị hoạt hóa nơtron dễ phát hiện.

Kiểm nghiệm tốc độ trao đổi chất trong sinh lý học/sinh học

Nước nặng cũng là thành phần trong hỗn hợp với H2O18 cho thử nghiệm thông thường và an toàn về tốc độ trao đổi chất trung bình ở người và động vật trong các hoạt động thông thường của chúng. Thử nghiệm trao đổi chất này thông thường được gọi là thử nghiệm nước đánh dấu kép.

Các hệ thống làm mát không độc hại trên tàu vũ trụ

Nước nặng (D2O) có nhiệt nóng chảy cao tương tự như của nước thông thường, nhưng đóng băng ở nhiệt độ cao hơn một chút. Nó được đề xuất như là chất làm giảm nhiệt không độc hại cho các ứng dụng làm mát trên tàu vũ trụ, trong đó băng D2O đóng vai trò giảm nhiệt để loại bỏ hơi nước trong không khí, nhưng không có rủi ro là hơi nước sẽ đóng băng thành nước đá, do băng D2O duy trì nhiệt độ quá cao để điều đó xảy ra. Xem bằng sáng chế số 5246061. Hệ thống như vậy vẫn chưa được thử nghiệm.

Sản xuất triti

Triti là vật liệu quan trọng trong thiết kế vũ khí hạt nhân cho các vũ khí phân hạch khuếch đại và tác nhân mồi, cũng như trong các ứng dụng công nghiệp dân sự. Một số được tạo ra trong các lò phản ứng nước nặng khi đơteri bắt giữ nơtron. Phản ứng này có thiết diện nơtron nhỏ và chỉ sinh ra một lượng nhỏ triti, mặc dù đủ để việc làm sạch triti từ tác nhân điều tiết có thể là cần thiết sau vài năm, để giảm thiểu rủi ro đối với sự thoát ra của triti và phơi nhiễm phóng xạ.

Sản xuất một lượng lớn triti theo cách này đòi hỏi các lò phản ứng phải có thông lượng nơtron rất cao, hoặc với tỷ lệ nước nặng rất cao so với nhiên liệu hạt nhân và hấp thụ nơtron rất thấp bởi các vật liệu khác trong lò phản ứng. Triti sau đó có thể được phục hồi bằng tách đồng vị từ lượng đơteri lớn hơn rất nhiều, không giống như việc sản xuất triti hiện thời từ liti-6, trong đó chỉ có tách hóa học là cần thiết.

Thiết diện hấp thụ của đơteri đối với các nơtron nhiệt là 0,52 milibarn, trong khi của ôxy-16 là 0,19 milibarn và ôxy-17 là 0,24 barn. O17 chiếm 0,038% ôxy tự nhiên, với thiết diện hấp thụ tổng thể là 0,28 milibarn. Vì thế trong D2O với ôxy tự nhiên, 21% bắt nơtron là thuộc ôxy, một tỷ lệ có thể nâng cao nữa khi O17 tích lũy từ việc bắt nơtron của O16. Bên cạnh đó, O17 bức xạ hạt alpha khi bắt giữ nơtron, sinh ra cacbon-14 phóng xạ.