重水

重水

名前
IUPAC名 （2H2）水[ 4]
その他の名前 重水素[1] 水-d 2 [2] 一酸化二水素 重水素水[3]
識別子
CAS番号	7789-20-0 はい
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:41981 はい
チェムBL	チェルノブイリ原子力発電所 はい
ケムスパイダー	23004 はい
ECHA 情報カード	100.029.226
EC番号	232-148-9
グメリン参照	97
ケッグ	D03703 はい
メッシュ	重水素+酸化物
パブケム CID	24602
RTECS番号	ZC0230000
ユニ	J65BV539M3 はい
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID4051243
InChI InChI=1S/H2O/h1H2/i/hD2 いいえ キー: XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N いいえ
笑顔 [2H]O[2H]
プロパティ
化学式	だ 2お
モル質量	20.0276 グラムモル−1
外観	無色の液体
臭い	無臭
密度	1.107 g mL −1
融点	3.82 °C; 38.88 °F; 276.97 K
沸点	101.4 °C (214.5 °F; 374.5 K)
水への溶解度	混和性
ログP	−1.38
屈折率( n D )	1.328
粘度	1.25 mPa・s（20℃）
双極子モーメント	1.87 デイ
危険
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	1 0 0
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 いいえ （それは何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

重水（重水素酸化物、²
H
₂O、 D
₂O）は、水素原子がすべて重水素（²
HまたはD（重水素としても知られる）ではなく、一般的な水素1同位体（¹
通常の水中の水素の大部分は、H （プロチウムとも呼ばれる）で構成されています。 ^[3]より重い同位体の存在により、水は異なる核特性を持ち、質量の増加により、通常の水と比較して物理的および化学的特性がわずかに異なります。

重水素は重い水素同位体です。重水には重水素原子が含まれており、原子炉で使用されます。半重水(HDO) は純粋な重水よりも一般的ですが、重酸素水は密度が高いものの、独特の特性がありません。トリチウム水はトリチウム含有量のために放射性です。

重水は、通常の水よりも 10.6% 密度が高く、融点も高いなど、通常の水とは異なる物理的特性を持っています。重水は、特定の温度で解離しにくく、通常の水のようなわずかに青みがかった色ではありません。通常の水よりもわずかに甘い味がしますが、それほどではありません。重水は、真核生物の酵素、水素結合、細胞分裂を変化させることで、生物系に影響を及ぼします。濃度が 50% を超えると、多細胞生物に致命的となる可能性があります。ただし、細菌などの一部の原核生物は、重水素環境でも生存できます。重水は人間にとって有毒ですが、中毒を起こすには多量に摂取する必要があります。

重水を製造する最も費用対効果の高い方法は、ガードラー硫化法です。重水はさまざまな産業で使用され、さまざまな純度のものが販売されています。その用途には、核磁気共鳴、赤外線分光法、中性子減速、ニュートリノ検出、代謝率試験、中性子捕捉療法、プルトニウムやトリチウムなどの放射性物質の製造などがあります。

重水素原子核は中性子と陽子で構成されています。一方、陽子（通常の水素）原子核は陽子のみで構成されています。中性子が 1 つ追加されるため、重水素原子は陽子原子の約 2 倍の重さになります。

重水分子には、通常の水の2つのプロチウム原子の代わりに2つの重水素原子がある。IUPACゴールドブック[5]で定義されている重水という用語は、通常より^も高い割合の水素原子が重水素である水を指すこともできる。比較のために、ウィーン標準平均海洋水（重水素標準として使用される「通常の水」）には、100万個の水素原子あたり約156個の重水素原子が含まれている。つまり、水素原子の0.0156％が2Hである。^{したがって}、ゴールドブックで定義されている重水には、半重水（水素重水素酸化物、HDO）とその他のDの混合物が含まれる。
₂おお​​
₂O 、および重水素の割合が通常よりも高いHDO。たとえば、 CANDU原子炉で使用される重水は、主に重水素酸化物Dの高濃縮水混合物です。
₂O、また、いくらかの水素重水素酸化物と少量の通常の水H
₂O。これは水素原子分率で 99.75% 濃縮されています。つまり、水素原子の 99.75% が重いタイプです。ただし、ゴールドブックの意味での重水は、それほど高度に濃縮されている必要はありません。ただし、重水分子の重量は、通常の水分子の重量とそれほど変わりません。これは、分子の質量の約 89% が、2 つの水素ではなく、1 つの酸素原子から来ているためです。

重水は放射性ではない。純粋な状態では、水よりも密度が約 11% 高いが、物理的、化学的には同様である。しかし、重水素を含む水のさまざまな違い (特に生物学的特性に影響する) は、一般的に存在する他の同位体置換化合物よりも大きい。これは、重水素が重い安定同位体の中では最も軽い同位体の 2 倍の重さであるという点で独特であるためである。この違いにより、水の水素と酸素の結合が強くなり、これが今度は、いくつかの生化学反応に重要な違いを引き起こすのに十分である。人体には、約 5 グラムの重水に相当する重水素が自然に含まれており、これは無害である。高等生物の水の大部分 (> 50%) が重水に置き換わると、細胞機能不全と死に至る。^[6]

重水は、重水素が発見されてから数か月後の1932年に初めて生産されました。^{[7] 1938年後半に}核分裂が発見され、中性子をほとんど捕獲しない中性子減速材が必要になったため、重水は初期の原子力研究の構成要素となりました。それ以来、重水は、発電用原子炉と核兵器用同位体の製造用に設計された原子炉の両方で、いくつかの種類の原子炉に不可欠な要素となっています。これらの重水原子炉は、廃止措置段階で放射線^[8]や粉塵爆発^[9]の危険をもたらすグラファイト減速材を使用せずに、天然ウランで稼働できるという利点があります。グラファイト減速のソ連のRBMK設計は、濃縮ウランと重水（代わりに通常の水で冷却）のどちらも使用しないように努めましたが、重水は正のボイド係数を生み出し、これがチェルノブイリ災害につながった原子炉設計の一連の欠陥の1つでした。ほとんどの現代の原子炉は、減速材として通常の水を使用した濃縮ウランを使用しています。

半重水（HDO）は、軽い水素（プロチウム、¹
H）と重水素（Dまたは²
H ) が混合物中に存在します。これは、水素原子 ( ¹ H と² H) が水分子間で急速に交換されるためです。50% を含む水¹
Hと50%²
水素中のHは、実際には約50％のHDOと25％のHである。
₂OとD
₂O、動的平衡状態にある。通常の水では、約3,200分子中1分子がHDO（6,400分子中1分子がHDO）である。²
H）、重水分子（D
₂O ) は、約 4100 万個に 1 個の割合でしか存在しません (つまり、6,400 ²個に 1 個) ^[要出典]。したがって、半重水分子は、「純粋な」(同位体) 重水分子よりもはるかに一般的です。

重い酸素同位体が豊富な水¹⁷
Oと¹⁸
Oも市販されている。これは通常の水（ H）よりも密度が高いため「重水」と呼ばれる。
₂¹⁸
Oの密度はDとほぼ同じである
₂おお​​
₂¹⁷
OはHの中間くらいです
₂OとD
₂O ）ですが、D ₂ Oに異常な核特性と生物学的特性を与える過剰な重水素を含まないため、重水と呼ばれることはめったにありません。17 ^Oと¹⁸ Oの分離が難しいため、 D _{2 Oよりも高価です。} ^[10] H ₂ ^{18 Oは、}放射性医薬品や放射性トレーサー、陽電子放出断層撮影におけるフッ素18の製造にも使用されます。¹⁷
Oと¹⁸
Oは水中に自然に存在し、重水を濃縮するほとんどのプロセスでは、副作用として酸素のより重い同位体も濃縮されます。重水を原子炉の中性子減速材として使用する場合、これは望ましくありません。¹⁷
Oは中性子捕獲を受け、続いてアルファ粒子を放出し、放射性物質を生成する。¹⁴
C . しかし、重酸素と水素の両方を含む 二重標識水は、非放射性同位体トレーサーとして有用である。

水素原子の同位体変化と比較すると、酸素の同位体変化は物理的性質に与える影響が小さい。^[11]

トリチウム水には、重水素（ ¹ H）または重水素（² H）の代わりにトリチウム（³ H）が含まれています。トリチウムは放射性であるため、トリチウム水も放射性です。

水と重水の物理的性質は、いくつかの点で異なります。重水は特定の温度で軽水よりも解離が少なく、D ⁺イオンの真の濃度は同じ温度の軽水のH ^{+イオンよりも低くなります。OD −}とOH ⁻イオンについても同様です。重水の場合、Kw D ₂ O (25.0 °C) = 1.35 × 10 ⁻¹⁵であり、中性水の場合、[D ^{+ ] は [OD −} ] と等しくなければなりません 。したがって、pKw D ₂ O = p[OD ⁻ ] + p[D ⁺ ] = 7.44 + 7.44 = 14.87 (25.0 °C) であり、25.0 °C での中性重水の p[D ⁺ ] は 7.44 です。   

重水のpDは、通常、pH電極を使用して測定され、pH（見かけの）値、またはpHaが得られます。さまざまな温度で、真の酸性pDは、pHメーターで直接測定したpHaから推定できます。つまり、pD+ = pHa（pHメーターからの見かけの読み取り値）+ 0.41です。アルカリ条件の電極補正は、重水の場合0.456です。したがって、アルカリ補正は、pD+ = pH _a（pHメーターからの見かけの読み取り値）+ 0.456です。これらの補正は、重水の対応するp[D+]とp[OD-]の差0.44とはわずかに異なります。^[16]

重水は普通の水よりも10.6%密度が高く、凍ったサンプルを普通の水に落とすと沈むため、重水の物理的に異なる特性を機器なしで見ることができます。水が氷のように冷たい場合は、重い氷のより高い融点も観察できます。重い氷は3.7℃で溶けるため、氷のように冷たい普通の水では溶けません。^[17]

1935年の実験では、普通の水と重水の味に「わずかな違い」はないと報告されている。^[18]しかし、最近の研究では、重水は人間にとってわずかに甘く、その効果はTAS1R2 / TAS1R3味覚受容体を介しているという逸話的な観察が確認された。^[19]蒸留した普通の水と重水のどちらかを選ばせたラットは、匂いで重水を避けることができたため、味が異なる可能性がある。^[20]水中のミネラルが味に影響を与えると報告する人もいる。例えば、カリウムは硬水に甘味を与えるが、ミネラル含有量以外にも水の味覚を左右する要因はたくさんある。^[21]

重水には軽水の特徴的な青色がありません。これは、軽水中で可視スペクトルの赤色部分に弱い吸収を引き起こす分子振動の高調波が赤外線にシフトし、重水が赤色光を吸収しないためです。^[22]

「純粋な」半重水はバルク液体としては不安定であるため、物理的特性は記載されていません。液体状態では、少数の水分子が常にイオン化状態にあり、これは水素原子が異なる酸素原子間で交換できることを意味します。半重水は、理論的には化学的方法で生成できますが^{[詳細な説明が必要]}、25% の軽水、25% の重水、50% の半重水の動的混合物に急速に変化します。ただし、ガス相で生成され、直接固体に堆積された場合、氷の形の半重水は安定する可能性があります。これは、標準温度のガス相では水蒸気分子間の衝突がほとんど無視できるためであり、結晶化すると、固体氷の堅固な格子構造により分子間の衝突が完全に停止します。^{[引用が必要]}

米国の科学者でノーベル賞受賞者の ハロルド・ユーリーは1931年に同位体重水素を発見し、後にそれを水中で濃縮することに成功した。^[23]ユーリーの師であるギルバート・ニュートン・ルイスは1933年に電気分解により純粋な重水の最初のサンプルを単離した。 ^[24] ジョージ・デ・ヘベシーとエーリッヒ・ホーファーは1934年に最初の生物学的トレーサー実験の一つで重水を使用し、人体内の水分のターンオーバー率を推定した。^[25]初期の核実験における重水の大量生産と使用の歴史については以下で説明する。^[26]

エミリアン・ブラトゥとオットー・レドリッヒは1934 年に重水の自己解離を研究しました。^[27]

1930年代、アメリカとソ連は、オーストリアの化学者フリッツ・ヨハン・ハンスギルグが、自らが発明した新しい方法を使って重水を生産するために、日本統治下の朝鮮北部に大日本帝国のパイロットプラントを建設したのではないかと疑っていた。 ^[28]

第二次世界大戦中、スウェーデンのリュンガヴェルクにあるフォスファットボラゲット社は、年間2,300リットルの重水を生産した。重水はその後、ドイツとマンハッタン計画の両方に、1グラムあたり1.40スウェーデンクローナの価格で販売された。^[29]

1939年10月、ソ連の 物理学者 ヤコフ・ボリソヴィッチ・ゼルドヴィッチと ユーリイ・ボリソヴィッチ・ハリトンは、天然ウラン原子炉に使用できる減速材は重水と炭素のみであると結論付け、1940年8月にはゲオルギー・フリョロフとともに、原子炉1基に15トンの重水が必要であると計算した計画をロシア科学アカデミーに提出した。当時ソ連にはウラン鉱山がなかったため、アカデミーの若い職員はレニングラードの写真店に派遣され、硝酸ウランを購入したが、1941年にドイツ軍がバルバロッサ作戦中に侵攻したため、重水プロジェクト全体が中止された。

1943年までに、ソ連の科学者たちは、重水に関する科学文献が西側からすべて消えたことを発見しており、フリョロフは手紙の中でソ連の指導者ヨシフ・スターリンに警告していた^[30]。その時点では、国全体で重水は2～3kgしかなかった。1943年後半、米国のソ連調達委員会は1kgの重水を入手し、1945年2月にはさらに100kgを入手した。第二次世界大戦が終結すると、NKVDがプロジェクトを引き継いだ。

1946年10月、 NKVDはロシアのアルソスの一環として、戦時中に重水生産に取り組んでいたドイツ人科学者をドイツからソ連に移送した。その中にはガードラー硫化法の発明者であるカール・ヘルマン・ガイプも含まれていた。^{[31]これらのドイツ人科学者は、}モスクワの物理化学研究所でドイツ人物理化学者マックス・フォルマー の監督の下で働き、彼らが建設した工場では1948年までに大量の重水を生産していた。^{[32] [33]}

化学元素の同位体はそれぞれ化学的挙動がわずかに異なりますが、ほとんどの元素ではその差は生物学的影響を及ぼすには小さすぎます。水素の場合、陽子、重水素、三重水素の間で化学的性質に大きな差が生じるのは、化学結合エネルギーが原子核電子系の縮小質量に依存するためです。この変化は、他の化学元素を含む重同位体置換よりも、重水素化合物（最も一般的なのは水素重水素化合物）で大きくなります。同位体効果は特に生物学的システムに関連しており、溶媒として作用する水の特性が同位体の影響を受けるため、生物学的システムは小さな変化にも非常に敏感です。

酵素は、その機能を果たすために、活性中心と基質の間および活性中心の外側の両方で、細かく調整された水素結合のネットワークに依存して三次構造を安定化させます。重水素との水素結合は通常の水素との結合よりもわずかに強いため^[34]、高度に重水素化された環境では、細胞内のいくつかの正常な反応が妨げられます。

重水によって特に大きな打撃を受けるのは、真核生物の細胞分裂に必要な有糸分裂紡錘体形成の繊細な集合体です。重水だけを与えると植物は成長を停止し、種子は発芽しません。これは重水が真核細胞の分裂を停止させるためです。^[35]タバコは発芽しませんが、小麦は発芽します。^[36]重水素細胞はより大きくなり、分裂の方向が修正されます。^{[37] [38]}細胞膜も変化し、重水の影響に最初に反応します。1972 年には、水中の重水素の割合が増加すると植物の成長が減少することが実証されました。^[39]重水素環境の人工条件下での原核微生物の成長に関する研究では、この環境では水の水素原子をすべて重水素に置き換えることができることが示されました。 ^{[40] [41]}実験では、細菌は 98% の重水でも生存できることが示されました。^[42] 50%を超える濃度は多細胞生物にとって致死的ですが、いくつかの例外が知られています。スイッチグラス（Panicum virgatum _{）などの植物種は50% D 2} Oで生育できます。^[43] Arabidopsis thaliana（70% D ₂ O）^[44] Vesicularia dubyana（85% D ₂ O）^[45] Funaria hygrometrica（90% D ₂ O）^[46]および無水生活性の線虫種Panagrolaimus superbus（ほぼ100% D ₂ O）^[47]

分裂酵母シゾサッカロミセス・ポンベに対する重水の包括的な研究では、高濃度の重水では細胞がグルコース代謝の変化と成長の遅延を示したことが示された。^[48]さらに、細胞は熱ショック応答経路と細胞完全性経路を活性化し、細胞完全性経路の変異体は重水に対する耐性の増加を示した。 ^[48]高濃度での毒性にもかかわらず、重水は特定の酵母の寿命を最大85％延ばすことが観察されており、そのメカニズムは活性酸素種のターンオーバーの減少であると仮定されている。^[49]

重水は概日周期に影響を与え、各周期の長さを一貫して増加させます。この効果は単細胞生物、緑色植物、等脚類、昆虫、鳥類、マウス、ハムスターで実証されています。そのメカニズムは不明です。^[50]

エタノールと同様に、重水は一時的に前庭器官の内リンパに対するクプラの相対密度を変化させ、位置性眼振、体の回転の錯覚、めまい、吐き気などを引き起こします。しかし、眼振の方向はエタノールの反対方向です。なぜなら、エタノールは水よりも軽いのではなく、水よりも密度が高いからです。^[51]

マウス、ラット、イヌを使った実験^[52]では、25%の重水素化により配偶子も接合子も発育できず、不妊（時には不可逆）になることが示されています。高濃度の重水（90%）は、魚、オタマジャクシ、扁形動物、ショウジョウバエを急速に死滅させます。出生時から30%の重水で育てられたマウスの体液は25%が重水素化され、脳は10%が重水素化されます。不妊以外は正常です。妊娠中の重水素化は胎児の異常を引き起こします。体液の重水素化が高すぎると死に至ります。^[53]重水を飲ませられた哺乳類（ラットなど）は、体水の重水素化が約50%に近づく1週間後に死にます。^[54]死因は細胞毒性中毒（化学療法など）や急性放射線症候群（重水素は放射性ではないが）の場合と同じであるように思われ、一般的に細胞分裂を阻害する重水素の作用によって引き起こされる。重水素は正常細胞よりも悪性細胞に対して毒性が強いが、常用するには必要な濃度が高すぎる。^[52]化学療法で起こる場合と同様に、重水素中毒の哺乳類は骨髄不全（出血や感染症を引き起こす）と腸管バリア機能不全（下痢や体液喪失を引き起こす）で死亡する。

植物や動物が重水素を過剰に摂取すると問題が生じるが、重水素によって引き起こされる有糸分裂の問題がない細菌などの原核生物は、完全に重水素化された状態で成長し、増殖し、細菌のタンパク質とDNA内のすべての水素原子を重水素同位体に置き換えることができる。^{[52] [55]これにより、}ブートストラッピングのプロセスが発生する。完全に重水素化されたグルコースを生産する原核生物により、完全に重水素化された大腸菌とトルラが育成され、さらに複雑な完全に重水素化された化学物質を生産することができた。アスペルギルスなどのカビは、完全に重水素化された条件下では複製できなかった。^[53]

高等生物では、他の非放射性重同位体（炭素13、窒素15、酸素18など）で重同位体を完全に置き換えることができますが、重水素ではこれを行うことはできません。これは、水素の同位体間の核質量比が他のどの元素よりもはるかに大きいためです。^[56]

重水素酸化物はホウ素中性子捕捉療法を強化するために使用されますが、この効果は重水素の生物学的または化学的効果に依存するのではなく、重水素が中性子を捕捉せずに中性子を減速（減速）する能力に依存しています。^[52] 2021年の実験的証拠は、重水素酸化物の全身投与（30％飲料水補給）がヒト黒色腫の標準的なマウスモデルで腫瘍の成長を抑制することを示し、その効果は腫瘍細胞における細胞ストレスシグナル伝達と遺伝子発現の選択的誘導に起因するとされています。^[57]

人間の体内の水分（体重の50～75%は水^[58]）の25～50%を重水で置き換えるには非常に大量の重水が必要となるため、重水による偶発的または意図的な中毒は実質的に無視できるほど起こりにくい。中毒は、目立った毒性効果を生じるには、被害者が通常の水分をほとんど摂取せずに何日も大量の重水を摂取することを必要とする。

数グラム単位の重水や重酸素 ¹⁸ O の経口投与は、人間の代謝実験で日常的に使用されています。(二重標識水テストを参照してください。) 約 6,400 個の水素原子のうち 1 個は重水素であるため、体重 50 キログラム (110 ポンド) の人間の体内の水分 32 キログラム (71 ポンド) には、通常、5.5 グラム (0.19 オンス) の純粋な重水を作るのに十分な重水素 (約 1.1 グラムまたは 0.039 オンス) が含まれます。したがって、体内の重水素量を 2 倍にするには、およそこの投与量が必要です。

重水摂取後にめまいが起こるという報告は、血圧の低下によって部分的に説明できるかもしれない。しかし、この症状は前庭機能の変化に起因する可能性が高い。重水はエタノールと同様に、クプラ内の内リンパの密度に一時的な差を引き起こし、それが前庭眼反射を混乱させ、乗り物酔いの症状を引き起こす。^[59]

重水は原子炉での使用を主に連想する人が多いですが、純粋な重水は放射性ではありません。市販の重水は微量の天然トリチウムが含まれているためわずかに放射性ですが、これは普通の水でも同じです。原子力発電所の冷却剤として使用されている重水には、重水中の重水素が中性子の衝撃を受けるため、かなり多くのトリチウムが含まれています (トリチウムは大量に摂取すると 健康に害を及ぼします)。

1990年、カナダのポイント・レプロ原子力発電所の不満を抱いた従業員が原子炉の一次熱輸送ループから重水のサンプル（約「半カップ」と推定）を入手し、カフェテリアのドリンクディスペンサーに投入した。8人の従業員が汚染された水を飲んだ。この事件は、従業員がトリチウム濃度の高い尿サンプルをバイオアッセイに残し始めたことで発覚した。関与した重水の量は重水毒性を引き起こす可能性のあるレベルをはるかに下回っていたが、数人の従業員が水中のトリチウムと中性子活性化化学物質から高線量の放射線を浴びた。^[60]これは重水中毒の事件ではなく、重水中の他の同位元素による放射線中毒であった。

一部の報道機関はこれらの点を注意深く区別せず、一般の人々の一部は重水は放射能を帯びており実際よりも毒性が強いという印象を抱いた。たとえ純粋な重水がウォータークーラーで無期限に使用されていたとしても、従業員が毎日の飲料水の25％以上をそのような水源から得ることは想定されていないため、事故が検知されたり被害が発生したりすることはなかっただろう。^[61]

重水を製造する最も費用対効果の高い方法は、1943年にカール・ヘルマン・ガイプとジェローム・S・スペヴァックが並行して開発した二重温度交換硫化物法（ガードラー硫化物法として知られる）である^。[32]グラハム・M・ケイザーが特許を取得した代替法^{[62]では、}レーザーを使用して重水素化ハイドロフルオロカーボンを選択的に分解し、フッ化重水素を形成し、これを物理的手段で分離する。このプロセスのエネルギー消費はガードラー硫化物法よりもはるかに少ないが、必要なハイドロフルオロカーボンを調達する費用がかかることから、この方法は現在のところ経済的ではない。

前述のように、現代の商業用重水は、ほぼ例外なく重水素酸化物と呼ばれ、販売されています。最もよく販売されているのは、98% 濃縮から 99.75～99.98% 重水素濃縮 (原子炉グレード) まで、さまざまな純度の重水で、時にはさらに高い同位体純度の重水もあります。

アルゼンチンはスイスのスルツァー社が供給するアンモニア/水素交換ベースのプラントを使用して、重水の主な生産国でした。また、カナダ、ドイツ、米国などの国々への主要な輸出国でもありました。アロイートにある重水生産施設は世界最大の重水生産施設でした。アルゼンチンは、モノサーマルアンモニア-水素同位体交換法を使用して、2015年に年間200ショートトン（180トン）の重水を生産しました。^{[63] [64] [65] [66] [67]} 2017年以来、アロイート工場は稼働していません。^[68]

マンハッタン計画の間、米国はP-9計画の一環として、ウェストバージニア州モーガンタウン近郊のモーガンタウン兵器工場、インディアナ州ダナとニューポート近郊のワバッシュリバー兵器工場、アラバマ州チルダースバーグとシラコーガ近郊のアラバマ兵器工場に3つの重水製造工場を建設した。重水はカナダのブリティッシュコロンビア州トレイルのコミンコ工場からも調達された。シカゴ・パイル3実験炉は重水を減速材として使用し、1944年に臨界に達した。 ^[69] 3つの国内製造工場は、約81,470ポンド（36,950キログラム）の製品を製造した後、1945年に閉鎖された。^[70]ワバッシュ工場は1952年に重水製造を再開した。

1953年、米国はサバンナリバーサイトのプルトニウム生産原子炉で重水の使用を開始しました。5基ある重水炉のうち最初のものは1953年に稼働し、最後の1基は1996年に冷温停止状態になりました。これらの原子炉は重水炉であり、米国の核兵器計画のためにプルトニウムとトリチウムの両方を生産することができました。

米国はガードラー硫化物化学交換生産プロセスを開発しました。このプロセスは、1945 年にインディアナ州ダナの工場で、1952 年にサバンナ川サイトで 初めて大規模に実証されました。

インドは重水委員会を通じて世界最大の重水生産国である。^[71]インドは韓国、中国、米国を含む国々に重水を輸出している。^{[72] [73]}

1934年、ノルスク・ハイドロはティンのヴェモルクに最初の商業用重水工場を建設し、最終的に1日4キログラム（8.8ポンド）を生産した。^[74] 1940年から第二次世界大戦中、この工場はドイツの管理下にあり、連合国はドイツの核兵器開発を阻止するためにこの工場と重水を破壊することを決定した。1942年後半、イギリス空挺部隊によるフレッシュマン作戦と呼ばれる襲撃計画は失敗し、2機のグライダーが墜落した。襲撃者は墜落で死亡したか、その後ドイツ軍に処刑された。

1943年2月27日の夜、ガンナーサイド作戦は成功した。ノルウェーの特殊部隊と地元のレジスタンスは、電解槽の小さいながらも重要な部分を破壊し、溜まった重水を工場の排水溝に捨てることに成功した。^[75]

1943年11月16日、連合軍の空軍は、この場所に400発以上の爆弾を投下した。連合軍の空襲を受けて、ナチス政府は保管可能な重水をすべてドイツに移送した。1944年2月20日、ノルウェーのパルチザンがティン湖を渡る重水を輸送していたフェリーM/F ハイドロ号を沈没させ、14人のノルウェー民間人の命が失われ、重水の大部分は失われたとみられる。樽のいくつかは半分しか入っておらず、そのため浮いており、引き揚げられてドイツに輸送された可能性がある。

ノルスク・ハイドロの生産記録の最近の調査と、2004年に引き揚げられた無傷の樽の分析により、この積荷の樽には アルカリ電解精製プロセスを示すpH14の水が含まれていたが、高濃度の_D2Oは含まれていなかったことが明らかになった。 ^[76]積荷の見かけ上のサイズにもかかわらず、純粋な重水の総量は非常に少なく、ほとんどの樽には0.5～1％の純粋な重水しか含まれていなかった。ドイツは原子炉を稼働させるために約5トンの重水を必要としたであろう。積荷目録には、ドイツに輸送される重水はわずか0.5トンであることが明記されていた。ハイドロが運んでいた重水は原子炉1基分には少なすぎるのに、核兵器に十分なプルトニウムを作るのに必要な10トン以上など到底あり得なかった。^[76]ドイツの核兵器計画はマンハッタン計画よりはるかに遅れており、ナチスドイツで建設された原子炉はどれも臨界に達することはなかった。

イスラエルは1959年にノルウェーから販売された重水を使用してディモナ原子炉を稼働させたことを認めた。インドもルーマニアとドイツを経由して再輸出し、ノルウェーの重水を使用した可能性が高い。^{[77] [78]}

カナダはマンハッタン計画への貢献の一環として、ブリティッシュコロンビア州トレイルに月産1,000～1,200ポンド（450～540kg）（設計生産能力）の電解重水工場を建設し、1943年に稼働を開始した。^[79]

カナダ原子力公社( AECL) の原子炉設計では、中性子減速材および冷却材として大量の重水が必要です。AECL は 2 つの重水プラントを発注し、カナダ大西洋岸のノバスコシア州グレイス湾(Deuterium of Canada Limited 社)とノバスコシア州リッチモンド郡ポイント タッパー (Canadian General Electric 社)に建設、稼働させました。これらのプラントは、設計、建設、製造に重大な問題があることが判明しました。グレイスベイ工場は1971年にAECLに買収された後、1984年にフル生産に達した。^{[80]ポイントタッパー工場は1974年にフル生産に達し、AECLは1975年にこの工場を購入した。[81]}ポイントタッパー工場からの設計変更は、AECLがブルース重水工場（44°11′07″N 81°21′42″W / 44.1854°N 81.3618°W / 44.1854; -81.3618 （ブルース重水工場））を建設したときにも引き継がれ、^{[82]後に将来の発電所への重水の安定した供給を確保するため、}オンタリオハイドロに売却された。2つのノバスコシア工場は生産が不要であることが判明し、1985年に閉鎖された。

オンタリオ州のブルース重水工場（BHWP）は、ピーク時には年間1600トンの生産能力を持つ世界最大の重水製造工場であった（フル稼働の工場1つあたり年間800トン、ピーク時にはフル稼働の工場2つ）。ガードラー硫化物法で重水を製造し、1トンの重水を製造するのに34万トンの給水を必要とした。この工場は、重水工場に熱と電力を供給する8基のCANDU原子炉を含む複合施設の一部であった。この工場は、オンタリオ州ティバートン近郊のダグラスポイント/ブルース原子力発電所に位置し、五大湖の水にアクセス可能なヒューロン湖に面していた。^[83]

AECLは1969年に最初のBHWPユニット（BHWP A）の建設契約を発行しました。BHWP Aの試運転は1971年から1973年にかけてオンタリオ・ハイドロによって行われ、プラントは1973年6月28日に稼働を開始し、設計生産能力は1974年4月に達成されました。BHWP Aの成功と、今後計画されている多数のCANDU原子力発電所建設プロジェクトに必要な大量の重水のため、オンタリオ・ハイドロはブルース・サイトにさらに3つの重水製造プラント（BHWP B、C、およびD）を試運転させました。BHWP Bは1979年に稼働を開始しました。これらの最初の2つのプラントは計画よりもはるかに効率的でしたが、CANDU建設プロジェクトの数は当初の計画よりも大幅に減少したため、BHWP CとDの建設はキャンセルされました。1984年にBHWP Aは閉鎖されました。 1993年までにオンタリオ・ハイドロは、国内需要のすべてを満たすのに十分な重水を生産した（重水の使用とリサイクルの効率化により、予想よりも低かった）ため、BHWP Bの生産能力の半分を閉鎖し、解体した。残りの生産能力は、1997年に永久に閉鎖されるまで、重水輸出の需要を満たすために稼働を続け、その後、工場は徐々に解体され、敷地は整地された。^{[84] [85]}

AECLは現在、より効率的で環境に優しい重水製造法を研究している。これはCANDU原子炉に関係する。なぜなら、1970年代と1980年代には、重水は各CANDU原子炉の総資本コストの約15～20％を占めていたからである。^[85]

1996年以来、重水生産工場がアラク近郊のコンダーブに建設されていた。^[要出典] 2006年8月26日、イランのアフマディネジャド大統領は、同国の重水工場の拡張を発足させた。イランは、重水生産施設が2009年に完成予定の40MWの研究用原子炉と並行して稼働することを示唆している。 ^[86]イランは2011年初頭に初めて重水素化溶媒を製造した。 ^{[87] IR-40のコアは、2015年7月の}核合意に基づいて再設計されることになっている。

包括的共同行動計画の下では、イランは130トン（140ショートトン）の重水のみを貯蔵することが認められている。^[88]イランは余剰生産分を輸出しており、イランは世界第3位の重水輸出国となっている。^{[89] [90]} 2023年にイランは重水を販売しており、顧客は1リットルあたり1,000ドルを超える価格を提案している。^[91]

パキスタンには、パンジャブ州を拠点とする重水生産施設が 2 か所ある。1995 年から 1996 年にかけて稼働を開始したフシャブ原子力施設は、先進小型弾頭 (熱核兵器)用の兵器級プルトニウム、重水素、三重水素を生産するパキスタンの備蓄計画の中心的要素である。重水を生産する別の重水施設はムルタンにあり、カラチとチャシュマの原子力発電所に販売している。

1980年代初頭、パキスタンは旧東ドイツの2つの企業からトリチウム精製・貯蔵工場と重水素およびトリチウムの前駆物質の取得に成功した。^[92]インドやイランとは異なり、パキスタンで生産される重水は輸出も購入もされておらず、国内の兵器施設と原子力発電所でのエネルギー生成にのみ使用されている。

ルーマニアは、現在は廃止されたドロベタ・ガードラー硫化物工場で国内および輸出用に重水を生産していた。^[93]フランスは1950年代から1960年代にかけて小規模な工場を運営していた。^[要出典]

重水素酸化物は、水を溶媒として使用する核磁気共鳴分光法で、対象核種が水素の場合に使用されます。これは、軽水 ( ¹ H ₂ O) 溶媒分子からの信号が、その中に溶解している対象分子からの信号を圧倒するためです。重水素は磁気モーメントが異なるため、水素 1 共鳴周波数での ¹ H-NMR信号には寄与しません。

実験によっては、化合物上の不安定水素、つまり分子内の特定の位置でH ^{+イオンとして容易に交換できる水素を特定することが望ましい場合があります。D} _{2 Oを添加すると（} D ₂ Oシェイクと呼ばれることもあります^）、不安定水素が目的の化合物と溶媒の間で交換され、化合物内の特定の¹ H原子が² Hに置き換えられます。分子内のこれらの位置は、 ¹ H-NMRスペクトルには表示されません。

重水素酸化物は、有機化合物の特異的に標識された同位体分子を調製するための重水素源としてよく使用されます。たとえば、ケトン性カルボニル基に隣接する CH 結合は、酸または塩基触媒を使用して CD 結合に置き換えることができます。ジメチルスルホキシドとヨウ化メチルから生成されるヨウ化トリメチルスルホキソニウムは、重水素酸化物から再結晶化でき、その後解離して、重水素標識されたヨウ化メチルとジメチルスルホキシドを再生できます。重水素とトリチウムによる特異的な二重標識が検討されている場合、研究者は、重水素酸化物が、その年齢と起源に応じて、いくらかのトリチウムを含む可能性があることに注意する必要があります。

溶液中のタンパク質のFTIRスペクトルを収集する場合、水の代わりに重水がよく使用されます。H _{2 O は、タンパク質の}アミドI 領域と重なる強いバンドを生成します。D ₂ Oのバンドは、アミド I 領域からずれています。

重水は特定のタイプの原子炉で使用され、中性子減速材として中性子を減速させるため、中性子は、核分裂せずに中性子を捕獲するウラン238よりも、核分裂性の ウラン235と反応する可能性が高くなります。CANDU原子炉はこの設計を採用しています。軽水も減速材として機能しますが、軽水は重水よりも多くの中性子を吸収するため、原子炉減速材として軽水を使用する原子炉では、天然ウランではなく濃縮ウランを使用する必要があります。そうしないと、臨界は不可能になります。ソ連のRBMK原子炉など、旧式の発電用原子炉のかなりの割合は、冷却には通常の水を使用し、減速材にはグラファイトを使用して建設されました。しかし、発電用原子炉におけるグラファイトの危険性（チェルノブイリ原発事故の一部はグラファイト火災が原因）により、標準的な原子炉設計ではグラファイトが使用されなくなりました。

プルトニウムの増殖と抽出は、燃料からのプルトニウムの化学的分離が天然ウランからのU-235の同位体分離よりも容易であるため、核兵器を製造するための比較的迅速かつ安価な方法となり得る。現在および過去の核兵器保有国のうち、イスラエル、インド、北朝鮮^[95]は、天然ウランを燃焼させる重水減速炉からのプルトニウムを最初に使用し、中国、南アフリカ、パキスタンは高濃縮ウランを使用して最初に核兵器を製造した。

ナチスの核計画は、当時のマンハッタン計画よりも控えめな手段で行われ、多くの一流科学者が追放され（そのうちの多くがマンハッタン計画のために働くことになった）、絶え間ない内紛によって妨げられたが、不純物の影響を認識しなかったため、減速材としてのグラファイトは不当に却下された。ウランの同位体分離はハードルが高すぎるとみなされたため、減速材として重水が残された。その他の問題としては、プロパガンダが「ユダヤ物理学」として却下したものに対するイデオロギー的な嫌悪、1933年以前から熱心なナチスだった人々と、ミットロイファーであった人々、または目立たないようにしようとしていた人々との間の不信感などがあった。連合軍による破壊活動やノルスク・ハイドロ（当時世界最大の重水生産者）への特殊部隊の襲撃、そして前述の内紛などにより、ドイツの核計画は終戦までに十分なウランと重水を保有していたにもかかわらず、 臨界に達するのに十分なウランと重水を一箇所に集めることができなかった。

しかし、米国では、最初の実験用原子炉（1942 年）や、トリニティ実験やファットマン爆弾用のプルトニウムを生産したマンハッタン計画のハンフォード生産原子炉はすべて、純粋な炭素（グラファイト）中性子減速材と通常の水冷パイプを組み合わせて使用​​していました。これらの原子炉は、濃縮ウランや重水なしで機能していました。ロシアと英国のプルトニウム生産でも、グラファイト減速炉が使用されていました。

CANDU 型やアトゥチャ型などの民生用重水炉が軍事用核分裂性物質の製造に使用されたという証拠はない。核兵器を保有していない国では、これらの施設の核物質は転用を阻止するためのIAEA の保障措置の対象となっている。

重水は核兵器計画に利用される可能性があるため、多くの国では、大量の工業用重水の保有や輸出入が政府の管理下にあります。重水や重水製造技術の供給者は通常、重水に対してIAEA (国際原子力機関) が管理する保障措置と物質管理を適用しています。(オーストラリアでは、1987 年核不拡散 (保障措置) 法) 米国とカナダでは、非工業用量の重水 (つまり、グラムから kg の範囲) は、化学品供給業者や、かつて世界最大の生産者であるオンタリオ ハイドロなどの商業会社を通じて、特別な許可なしに日常的に入手できます。

オンタリオ州サドベリーにあるサドベリーニュートリノ観測所（SNO）は、カナダ原子力公社から借り受けた1,000トンの重水を使用しています。ニュートリノ検出器は、宇宙線によって生成されるミューオンから保護するために、鉱山の地下6,800フィート（2,100メートル）にあります。SNOは、太陽の核融合によって生成された電子型ニュートリノ（理論上、太陽が直接生成する唯一のタイプ）が、地球に到達する途中で他のタイプのニュートリノに変わる可能性があるかどうかという疑問に答えるために建設されました。SNOは、電子型ニュートリノが重水素中の中性子と荷電電流（CC）相互作用して陽子と電子に変わるときに生成される高エネルギー電子からのチェレンコフ放射を水中で検出します（ただし、検出のためにチェレンコフ放射を生成できるほど高速なのは電子だけです）。

SNO はニュートリノ電子散乱 (ES) イベントも検出します。このイベントではニュートリノが電子にエネルギーを伝達し、その後 CC イベントで生成されるものと区別できるチェレンコフ放射が発生します。これら 2 つの反応のうち最初のものは電子型ニュートリノによってのみ生成されますが、2 番目はすべてのニュートリノ フレーバーによって引き起こされる可能性があります。重水素の使用は SNO 機能にとって重要です。なぜなら、ニュートリノの 3 つの「フレーバー」(タイプ) ^[96]すべてが、3 番目のタイプの反応であるニュートリノ崩壊でも検出される可能性があるからです。ニュートリノ崩壊では、任意のタイプ (電子、ミューオン、またはタウ) のニュートリノが重水素原子核 (重陽子) から散乱し、中性電流 (NC) 相互作用を介して緩く結合した重陽子を自由中性子と陽子に分解するのに十分なエネルギーが伝達されます。

この事象は、重水に意図的に溶解されたNaClから存在する³⁵ Cl ⁻によって自由中性子が吸収され、特徴的な捕獲ガンマ線が放出されるときに検出されます。したがって、この実験では、重水はチェレンコフ放射を生成して視覚化するために必要な透明媒体を提供するだけでなく、エキゾチックなミュー型 (μ) およびタウ型 (τ) ニュートリノを検出するための重水素と、この反応からの自由中性子が容易に検出される中性子活性化同位体によって吸収されるまで、自由中性子を保存するための非吸収性減速媒体も提供します。

重水は、H ₂ ¹⁸ Oとの混合物の一部として、通常の活動を行っている人間や動物の平均代謝率の一般的かつ安全なテストに使用されます。重水素単独の排出率は、体内の水分代謝の尺度となります。これは個人間で大きく異なり、環境条件、被験者のサイズ、性別、年齢、身体活動によって異なります。^[97]

トリチウムは、自己発電照明や制御核融合の活性物質であり、オートラジオグラフィーや放射性標識などの他の用途もあります。また、ブースト核分裂兵器やイニシエーター用の核兵器設計にも使用されています。トリチウムはベータ崩壊してヘリウム3になります。ヘリウム3は安定していますが希少なヘリウム同位体であり、それ自体が非常に求められています。重水減速炉では、重水素が中性子を捕獲するときにトリチウムが生成されます。この反応は断面積（単一の中性子捕獲イベントの確率）が小さく、生成されるトリチウムの量はわずかですが、トリチウムが漏れる環境リスクを減らすために数年ごとに減速材からトリチウムを除去することを正当化するのに十分な量です。ヘリウム3は、重水やトリチウム化水のどの成分よりも捕獲断面積が桁違いに大きい中性子毒であるため、重水中性子減速材またはトリチウム製造のターゲットへのヘリウム3の蓄積は最小限に抑える必要があります。

この方法で大量のトリチウムを生産するには、中性子束が非常に高い原子炉、または核燃料に対する重水の割合が非常に高く、他の原子炉材料による中性子吸収が非常に低い原子炉が必要になります。その場合、化学分離のみが必要なリチウム 6から生産する場合 (現在の方法) とは異なり、はるかに大量の重水素から同位体分離によってトリチウムを回収する必要があります。

重水素の熱中性子の吸収断面積は 0.52 ミリバーン（ 5.2 × 10 ⁻³² m ² ; 1 バーン = 10 ⁻²⁸ m ^{2 ）であるのに対し、}酸素 16と酸素 17の吸収断面積はそれぞれ 0.19 と 0.24 ミリバーンである。^{17 O は天然}酸素の 0.038% を占め、全体の断面積は 0.28 ミリバーンとなる。したがって、天然酸素を含む D ₂ O では、中性子捕獲の 21% が酸素によるものであり、 ¹⁶ Oによる中性子捕獲から¹⁷ Oが増加するにつれてこの割合は高くなる。また、^{17 O は中性子捕獲時に}アルファ粒子を放出し、放射性炭素 14 を生成する可能性がある。

• 常温核融合
• 重水素減少水
• 星間氷