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El agua pesada es una forma de agua que contiene una cantidad más grande de lo normal de deuterio, un isótopo del hidrógeno, (también conocido como "hidrógeno pesado") en lugar del isótopo común de hidrógeno-1 o protio, del que está compuesta la mayor parte del agua normal.2 Por lo tanto, algunos o la mayoría de los átomos de hidrógeno del agua pesada contienen un neutrón, lo que provoca que cada átomo de hidrógeno sea aproximadamente dos veces más pesado que un átomo de hidrógeno normal (aunque el peso de las moléculas de agua no se ve sustancialmente afectado, ya que aproximadamente el 89 % del peso molecular reside en el átomo de oxígeno). El aumento de peso del hidrógeno en el agua hace que sea un poco más densa.
El término coloquial agua pesada a menudo también se utiliza para referirse a una mezcla altamente enriquecida de agua que contiene principalmente óxido de deuterio, pero que también contiene algunas moléculas de agua ordinarias. Así por ejemplo el agua pesada que se utiliza en los reactores CANDU es de un enriquecimiento del 99,75 % por cada átomo de hidrógeno, lo que significa que el 99,75 % de los átomos de hidrógeno son del tipo pesado (deuterio). En comparación, en el agua ordinaria, a veces llamada "agua ligera", solo hay alrededor de 156 átomos de deuterio por cada millón de átomos de hidrógeno.
El agua pesada no es radiactiva. En su forma pura, tiene una densidad aproximadamente un 11 % mayor que la del agua, pero, por lo demás, es física y químicamente similar. Sin embargo, las diversas diferencias entre las aguas que contienen deuterio (que afectan especialmente a las propiedades biológicas) son mayores que en cualquier otro compuesto común con sustitución isotópica debido a que el deuterio es único entre los isótopos estables en ser dos veces más pesado que el isótopo más ligero. Esta diferencia aumenta la fuerza de los enlaces hidrógeno-oxígeno del agua, y esto a su vez es suficiente para causar diferencias que son importantes para algunas de las reacciones bioquímicas. El cuerpo humano contiene de forma natural deuterio equivalente a aproximadamente cinco gramos de agua pesada, que es inofensivo. Cuando una fracción grande de agua (> 50 %) de los organismos superiores se sustituye por agua pesada, el resultado es la disfunción celular y la muerte.3
El agua pesada se produjo por primera vez en 1932, pocos meses después del descubrimiento del deuterio.4 Con el descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938, y la necesidad de un moderador de neutrones que capturara pocos neutrones, el agua pesada se convirtió en un componente de investigación de la primera energía nuclear. Desde entonces, el agua pesada ha sido un componente esencial en algunos tipos de reactores, tanto de los que generan energía como de los diseñados para producir isótopos para armas nucleares. Estos reactores de agua pesada tienen la ventaja de poder emplear uranio natural sin el uso de los moderadores de grafito (que pueden plantear en la fase de desmantelamiento riesgos radiológicos5 o de explosión del polvo).6 Los reactores más modernos utilizan uranio enriquecido con "agua ligera" normal (H2 O) como moderador.