重水素

重水素は化学記号Dで表されることが多い。質量数2の水素の同位体であるため、 ^{2Hで表されることもある。IUPAC}はDと2Hの両方を認めているが^、 2H^が推奨されている。^{[ 8 ]}この同位体は様々な科学的プロセスで広く用いられているため、便宜上、別の化学記号が用いられている。また、プロチウム（^{1H ）との質量差が大きいため、 1H}化合物との化学的性質も無視できない。重水素の質量は2.014 × 10² Da  、水素の平均原子量の約2倍1.007 947  Da、またはプロチウムの質量の2倍1.007 825  Da。他の元素における同位体重量比は、この点においてはほとんど重要ではない。

量子力学において、原子内の電子のエネルギー準位は、電子と原子核からなる系の換算質量に依存します。水素原子の場合、換算質量の役割はボーアの原子模型において最も分かりやすく示されます。ボーア模型では、換算質量はリュードベリ定数とリュードベリ方程式の簡単な計算に現れますが、シュレーディンガー方程式や原子のエネルギー準位を計算するディラック方程式にも現れます。

これらの式における系の換算質量は、単一電子の質量に近いが、電子と原子核の質量の比にほぼ等しいわずかな量だけ異なっている。¹ H の場合、この量は約1837 / 1836 、つまり1.000545であり、² H の場合はさらに小さく、3671 / 3670 、つまり 1.000272 である。したがって、2 H^と1 ^Hの電子スペクトル線のエネルギーは、これら 2 つの数値の比だけ異なり、これも 1.000272 に非常に近い。すべての重水素スペクトル線の波長は、対応する軽水素の線よりも 0.0272% 短い。天文学的観測では、これは光速の 0.0272% 、つまり 81.6 km/s の青色ドップラーシフトに相当する。^{[ 9 ]} 

赤外分光法やラマン分光法などの振動分光法^{[ 10 ]}、およびマイクロ波分光法などの回転スペクトルでは、重水素の換算質量がプロチウムの換算質量よりも著しく大きいため、その違いははるかに顕著になります。核磁気共鳴分光法では、重水素はプロチウムとは全く異なるNMR周波数（例えば、 プロチウムが400 MHzであるのに対し、重水素は61 MHz  ）を持ち、感度もはるかに低くなります。プロチウムNMRでは、溶媒が信号と重ならないように、通常は重水素化溶媒が使用されますが、重水素NMR自体も可能です。

宇宙形成時の合成は、自然界に存在する重水素が生成された唯一の重要な方法であり、恒星核融合では破壊される。重水素は、ビッグバンで形成された元素の数と比率を決定する上で重要な役割を果たしたと考えられている。^{[ 11 ]： 24.2}熱力学と宇宙膨張によってもたらされた変化を組み合わせると、宇宙が原子核の形成を可能にするほど十分に冷えた時点での温度に基づいて、陽子と中性子の割合を計算できる。この計算によると、核生成の開始時には中性子1個に対して陽子が7個あり、この比率は核生成が終わった後も安定している。この割合は、主に陽子の質量が小さいため、当初は陽子に有利であった。宇宙が膨張するにつれて、冷えていった。自由中性子と自由陽子はヘリウム原子核よりも不安定であり、陽子と中性子にはヘリウム4を形成する強いエネルギー的理由があった。しかし、ヘリウム4の形成には、中間段階として重水素の形成が必要となる。

ビッグバン後、核合成が起こり得た数分間の大部分において、温度が高かったため、粒子あたりの平均エネルギーが弱く結合した重水素の結合エネルギーよりも大きく、そのため、生成された重水素はすぐに破壊されました。この状況は重水素ボトルネックとして知られています。ボトルネックは、宇宙が重水素を生成できるほど冷えるまで（約100 keVに相当する温度まで）、ヘリウム4の生成を遅らせました。この時点で、元素生成が急激に増加しました（最初に重水素が生成され、すぐにヘリウムに融合しました）。しかし、その後すぐに、ビッグバンから20分後には、宇宙はそれ以上の核融合や核合成が起こらないほど冷えてしまいました。この時点で、元素の存在量はほぼ固定され、ビッグバン核合成の放射性生成物（トリチウムなど）の一部が崩壊することによってのみ変化しました。^{[ 12 ]}ヘリウム形成における重水素のボトルネックと、ヘリウムが水素または自身と安定的に結合する方法の欠如（質量数が 5 または 8 の安定な原子核は存在しない）により、ビッグバンでは炭素、または炭素より重い元素はごくわずかしか形成されなかった。したがって、これらの元素は恒星で形成される必要があった。同時に、ビッグバン中に多くの核生成が失敗したことにより、後の宇宙では太陽のような長寿命の恒星を形成するのに十分な量の水素が存在することが保証された。 

重水素は微量ながら自然界では重水素ガス（² H ₂または D ₂）として存在しますが、宇宙に存在する重水素のほとんどは¹ Hと結合して重水素化水素（HD または¹ H ² H）と呼ばれるガスを形成しています。^{[ 13 ]}同様に、天然の水には重水素化分子が含まれており、そのほとんどが重水素が 1 つだけの半重水HDO です。

地球上、太陽系の他の場所（惑星探査機によって確認されている）、そして恒星のスペクトルにおける重水素の存在は、宇宙論においても重要なデータである。通常の核融合によるガンマ線は重水素を陽子と中性子に解離させるが、ビッグバン核合成以外に、観測されている自然存在量に近い重水素を生成した既知の自然過程はない。重水素はまれな星団崩壊や、自然界に存在する中性子が軽水素に吸収されることによっても生成されるが、これらはごくわずかな発生源である。太陽や他の恒星の内部には重水素はほとんど存在しないと考えられている。なぜなら、これらの温度では、重水素を消費する核融合反応が、重水素を生成する陽子-陽子反応よりもはるかに速く起こるからである。しかし、重水素は太陽の外層大気中に木星とほぼ同じ濃度で存在しており、これはおそらく太陽系の起源以来変わっていないと考えられる。^水素が存在する場所に関わらず、水素の自然存在比は水素全体に占める割合と非常に似ているように思われる。ただし、水素を濃縮するような明らかなプロセスが働いている場合は別である。

すべての水素に低濃度ながら一定の原始的な割合で重水素が存在することは、宇宙の定常状態理論よりもビッグバン理論を支持するもう一つの論拠である。宇宙における水素、ヘリウム、重水素の観測された比率は、ビッグバンモデル以外では説明が難しい。重水素の存在量は、約138億年前に生成されて以来、大きく変化していないと推定されている。^{[ 14 ]}紫外線スペクトル分析による天の川銀河の重水素の測定では、擾乱を受けていないガス雲中の水素原子100万個あたり重水素原子が最大23個という比率が示されており、これはビッグバンからのWMAPによる推定原始比率約27個/100万個よりわずか15%低いだけである。これは、天の川銀河での星形成で破壊された重水素が予想より少ないか、あるいは銀河の外から大量の原始水素が流入して重水素が補充されたことを意味すると解釈されている。^{[ 15 ]}太陽から数百光年離れた宇宙では、重水素の存在量は100万個あたりわずか15個ですが、この値は星間空間の炭素ダスト粒子への重水素の吸着の違いによって影響を受けていると考えられます。^{[ 16 ]}

木星の大気中の重水素の存在量は、ガリレオ探査機によって直接測定され、水素原子100万個あたり26個である。ISO-SWSの観測では、木星の水素原子100万個あたり22個の重水素が見つかっており、^{[ 17 ]}この存在量は原始太陽系の比率に近いと考えられている。^{[ 6 ]}これは、地球の水素原子100万個あたり156個の重水素の比率の約17%である。

ヘール・ボップ彗星やハレー彗星などの彗星は、より多くの重水素（水素100万個あたり約200個の原子）を含んでいることが測定されており、その比率は、おそらく加熱によって、想定される原始太陽系星雲の比率に比べて濃縮されており、地球の海水で見られる比率と似ています。最近測定された、103P/ハートレー彗星（かつてカイパーベルト天体）の水素100万個あたり161個の重水素量（地球の海洋の比率（155.76 ± 0.1、実際には153～156 ppm）とほぼ同じ）は、地球の表面水が主に彗星に由来する可能性があるという理論を強調しています。^{[ 5 ] [ 6 ]}ごく最近では、ロゼッタによって測定された67P /チュリュモフ・ゲラシメンコ^彗星の2H1HRは^、地球の水の約3倍です。^{[ 7 ]}このことから、地球の水の一部が小惑星起源である可能性についての提案に再び関心が寄せられるようになった。

重水素は、他の地球型惑星、特に火星と金星でも、太陽の平均存在量よりも多く集中していることが観測されている。^{[ 18 ]}

重水素は、工業、科学、軍事目的で製造され、その原料は普通の水（そのごく一部は天然に存在する重水）であり、その後、ガードラー硫化物法、蒸留、またはその他の方法で重水を分離します。^{[ 19 ]}

理論的には、重水用の重水素は原子炉で生成できるが、通常の水から分離するのが最も安価な大量生産方法である。

1997年に最後の重水製造工場が閉鎖されるまで、世界最大の重水素供給会社はカナダ原子力公社（Atomic Energy of Canada Limited）でした。カナダはCANDU型原子炉の運転において、中性子減速材として重水を使用しています。

重水生産のもう一つの主要国はインドである。インドの原子力発電所のうち、1つを除くすべてが加圧重水発電所であり、天然（濃縮されていない）ウランを使用している。インドには8つの重水発電所があり、そのうち7つが稼働している。6つの発電所（うち5つが稼働中）はアンモニアガス中のD-H交換に基づいている。残りの2つの発電所は、高圧の硫化水素ガスを使用するプロセスで天然水から重水素を抽出する。

インドは自国で使用する重水については自給自足しているが、原子炉用重水も輸出している。

式：D ₂または² ₁ H₂

• 密度：標準状態（0℃、101325 Pa）で0.180 kg/m³ ^。
• 原子量：2.0141017926 Da。
• 海水中の平均存在量（VSMOWより）：水素の全同位体原子100万個あたり重水素原子155.76 ± 0.1個（6420個中約1個）。つまり、水素の全原子（どの同位体でも）の約0.015%。

^2H2（三重点）_の約18Kにおけるデータ：

• 密度：
  • 液体：162.4 kg/ ^m³
  • ガス：0.452 kg/ ^m³
  • 液化水（^2H₂O _{） ：}標準状態（STP）で1105.2 kg/ ^m³
• 粘度：300 K（気相）で12.6 μPa・s
• 定圧比熱容量c _p :
  • 固体：2950 J/(kg·K)
  • 気体：5200 J/(kg·K)

地球上の自然組成の水素と比較して、純粋な重水素（2H2 ^）は_、融点（18.72  K 対 13.99  K）、沸点（23.64 K 対 20.27  K）、臨界温度（38.3 K 対 32.94  K）、臨界圧力（1.6496 MPa 対 1.2858  MPa）が高い。^{[ 20 ]}

重水素化合物の物理的性質は、プロチウム類似体と比較して、顕著な運動学的同位体効果やその他の物理的および化学的性質の違いを示すことがあります。たとえば、² H ₂ O は通常のH ₂ Oよりも粘性が高いです。^{[ 21 ]}重水素同位体の化合物は、プロチウムと比較して結合エネルギーと結合長に違いがあり、これは他のどの元素の同位体差よりも大きくなっています。重水素と三重水素を含む結合は、プロチウムの対応する結合よりもやや強く、これらの違いは生物学的反応に大きな変化をもたらすのに十分です。製薬会社は、 ^{2 H が1} Hよりも炭素から除去しにくいという事実に興味を持っています。^{[ 22 ]}

重水素は水分子中の^{1 H を置換して重水 ( 2} H ₂ O ) を形成することができ、これは通常の水よりも約 10.6% 密度が高い (そのため、重水で作った氷は通常の水に沈む)。重水は真核動物に対してわずかに毒性があり、体内の水分の 25% が置換されると細胞分裂の問題や不妊症を引き起こし、50% が置換されると細胞毒性症候群 (骨髄不全や消化管内壁不全) により死に至る。しかし、原核生物は純粋な重水でも生存および成長することができるが、その発達は遅い。^{[ 23 ]}このような毒性があるにもかかわらず、通常の状況下での重水の摂取は人間の健康に脅威を与えることはない。70 kg (154 lb )の人が4.8リットル (1.3 US gal )の重水を飲んでも深刻な影響はないと推定されている。 ^{[ 24 ]}少量の重水（ヒトでは数グラム、体内に通常存在する重水素量に匹敵する量を含む）は、ヒトや動物において無害な代謝トレーサーとして日常的に使用されている。    

重水素はスピン+1（「三重項状態」）を持つため、ボソンである。重水素のNMR周波数は通常の水素とは大きく異なる。赤外分光法も、重水素を含む化学結合の振動におけるIR吸収周波数が軽水素の場合と大きく異なるため、多くの重水素化化合物を容易に区別できる。水素の2つの安定同位体は質量分析法によっても区別できる。

三重項重水素核子はE _B =でかろうじて束縛されている2.23  MeVであり、より高いエネルギー状態のいずれも束縛されていない。一重項重水素は仮想状態であり、負の結合エネルギーは約60  keV。このような安定な粒子は存在しないが、この仮想粒子は中性子-陽子非弾性散乱中に一時的に存在し、陽子の異常に大きな中性子散乱断面積の原因となっている。^{[ 25 ]}

重水素は、重水減速型核分裂炉で、通常は液体の² H ₂ Oとして使用され、通常の水素のような高い中性子吸収なしに中性子を減速します。^{[ 32 ]}これは、大量の重水素の一般的な商業用途です。

研究用原子炉では、液体水素²_{が低温源として使用され、中性子}を散乱実験に適した非常に低いエネルギーと波長に減速します。

実験的には、重水素は、特に三重水素との組み合わせにおいて、核融合炉の設計で最も一般的に使用される核種です。これは、重水素-三重水素（DT）反応の反応速度（または核断面積）が大きく、エネルギー収量が高いためです。さらに収量の高い^2H - ^3He核融合反応もありますが、^2H - ^3Heの損益分岐点は他のほとんどの核融合反応よりも高く、3He の希少性と相まって^、少なくとも DT および重水素-重水素（DD）核融合が商業規模で実施されるまでは、実用的な電源としては考えにくいです。商業的な核融合はまだ実現した技術ではありません。

重水素は、水素核磁気共鳴分光法（プロトンNMR ）において、主に次のような方法で使用されます。NMRでは通常、分析対象の化合物を溶液に溶解した状態で分析する必要があります。重水素の核スピン特性は、有機分子に通常存在する軽い水素とは異なるため、水素/プロチウムのNMRスペクトルは重水素のスペクトルとは大きく異なり、実際には、^1Hに調整されたNMR装置では重水素は「検出」されません。そのため、溶媒信号の干渉なしに、対象化合物の軽い水素スペクトルのみを測定できるように、重水素化溶媒（重水だけでなく、重水素化クロロホルム、CDCl3 _、^C2HCl3などの化合物も含む_）がNMR分光法で日常的に使用されます。

核磁気共鳴分光法は、同位体標識サンプル中の重水素の環境に関する情報を得るためにも使用できます（重水素NMR）。たとえば、重水素標識脂質分子を用いた固体重水素NMRを使用して、脂質二重層中の炭化水素鎖の配置を定量化できます。^{[ 33 ]}

重水素NMRスペクトルは、例えば塩素35のようなより大きな四極子核と比較して、その四極子モーメントが比較的小さいため、固体状態において特に有益な情報を提供する。

重水素化化合物（すなわち、すべての水素原子または一部の水素原子が重水素に置換されたもの）は、質量分析法の内部標準としてよく使用されます。他の同位体標識種と同様に、このような標準は精度を向上させ、多くの場合、他の同位体標識標準よりもはるかに低コストです。重水素化分子は通常、水素同位体交換反応によって調製されます。^{[ 34 ] [ 35 ]}

化学、生化学、環境科学において、重水素は非放射性の安定同位体トレーサーとして、例えば二重標識水試験などに用いられます。化学反応や代謝経路において、重水素は（前述のようにいくつかの化学的差異はあるものの）通常の水素とほぼ同様の挙動を示します。質量分析法や赤外分光法を用いることで、質量によって通常の水素と最も容易に区別できます。質量差が分子振動の周波数に大きく影響するため、フェムト秒赤外分光法によって重水素を検出できます。2^つの水素-炭素結合の振動は、他の信号のないスペクトル領域に現れます。

重水素の自然存在量のわずかな変動、および安定重酸素同位体である酸素^17Oと酸素^{18Oの変動の測定は、地球の水の地理的起源を追跡する上で}水文学において重要である。雨水（天水）中の水素と酸素の重同位体は、降水が降る地域の気温に応じて濃縮される（したがって、濃縮度は緯度と関連している）。雨水中の重同位体の相対的な濃縮度（平均海水に対する比）を気温に対してプロットすると、予測どおりに地球天水線（GMWL）と呼ばれる線に沿って下がる。このプロットにより、降水起源の水のサンプルを、それが起源した気候に関する一般的な情報とともに特定することができる。水域における蒸発などのプロセス、および地下水プロセスも、淡水と海水中の水素と酸素の重同位体の比率を、特徴的でしばしば地域的に異なる方法で変化させる。^{[ 36 ] 2} H と¹ Hの濃度比は通常、 δ ² Hとしてデルタで示され、これらの値の地理的パターンはアイソスケープと呼ばれる地図にプロットされます。安定同位体は植物や動物に取り込まれ、渡り鳥や昆虫の比率の分析は、その起源の概略を示すのに役立ちます。^{[ 37 ] [ 38 ]}

中性子散乱法は、重水素化試料の利用可能性から特に恩恵を受ける。¹Hと^²Hの断面積は大きく異なり、符号も異なるため、このような実験ではコントラストを変化させることが可能となる。さらに、通常の水素の厄介な問題は、その大きな非干渉性中性子断面積であるが、^²Hではこれがゼロとなる。したがって、通常の水素を重水素に置き換えることで、散乱ノイズを低減できる。

水素は有機化学や生命科学のすべての物質において重要かつ主要な構成要素ですが、X線とはほとんど相互作用しません。水素原子（重水素を含む）は中性子と強く相互作用するため、中性子散乱技術は最新の重水素化施設とともに、生物学やその他の多くの分野における高分子の多くの研究においてニッチな分野を埋めています。^{[ 39 ]}

下記参照。太陽を含むほとんどの恒星は、その生涯の大半において、水素をより重い元素に融合させることでエネルギーを生成している。しかし、地球上で達成可能な条件下では、このような軽い水素（プロチウム）の融合は成功したことがない。したがって、水素爆弾における水素核融合を含むすべての人工核融合には、重い水素（重水素、三重水素、またはその両方）が必要となる。^{[ 40 ]}

重水素化薬とは、薬物分子中の水素原子の 1 つ以上が重水素に置き換えられた低分子医薬品のことです。運動学的同位体効果により、重水素含有薬は代謝速度が著しく低下し、半減期が長くなる可能性があります。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} 2017 年、重テトラベナジンはFDA の承認を受けた最初の重水素化薬となりました。^{[ 44 ]}

重水素は、特定のアミノ酸や^多価不飽和脂肪酸（PUFA）などの必須栄養素または条件付き必須栄養素内の特定の酸化されやすいC–H結合を強化するために使用でき、酸化損傷に対する耐性を高めます。 [ ^{45 ]}リノール酸などの重水素化多価不飽和脂肪酸は、生細胞を損傷する脂質過酸化の連鎖反応を遅らせます。 ^{[ 46 ] [ 47 ]} Retrotope社が開発したリノール酸の重水素化エチルエステル（RT001）は、乳児神経軸索ジストロフィーの人道的使用試験中で、フリードライヒ運動失調症の第I/II相試験を成功裏に完了しています。^{[ 48 ] [ 44 ]}

経口ポリオワクチンなどの生ワクチンは、重水素単独、またはMgCl2_などの他の安定剤との組み合わせで安定化させることができる。^{[ 49 ]}

ラット、ハムスター、およびGonyaulax渦鞭毛藻に投与すると、重水素が概日時計の振動周期を延長することが示されている。^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]ラットでは、25% 2} H ₂ Oの慢性摂取により、脳の視床下部の視交叉上核依存性リズムの概日周期が延長され、概日リズムが乱れる。 ^{[ 52 ]}ハムスターでの実験も、重水素が視交叉上核に直接作用して自由走行概日周期を延長するという理論を支持している。^{[ 54 ]}

重水素の性質を持つ物質について最初に言及されたのは、アーネスト・ラザフォードの1919年のベーカー講演での短い言及である。^{[ 55 ] [ 56 ]} この理論では、質量が2で電荷が1の重水素原子核は、2つの陽子と1つの核電子を含むことになる。また、1919年には、オットー・シュテルンとマックス・フォルマーが、水素の同位体の存在を否定すると主張する水の拡散実験について報告した。彼らの結論は1920年代を通じて正しいとみなされていた。^{[ 57 ] [ 56 ]}

1931年後半、コロンビア大学の化学者ハロルド・ユーリーによって初めて分光法で検出された。ユーリーの共同研究者であるフェルディナント・ブリックヴェッデは、極低温で生成された液体水素5リットルを蒸留して1 mL の液体を用いて、ワシントンDCにある国立標準局（現在の国立標準技術研究所）に最近設立された低温物理学実験室で実験を行った。この技術は以前、ネオンの重同位体を分離するために使用されていた。極低温蒸発法によって、質量数2の水素同位体の割合が分光学的識別が明確になる程度まで濃縮された。^{[ 58 ] [ 59 ]}

ユーリーは1934年に発表した論文で、プロチウム、デューテリウム、トリチウムという名前を考案した。この名前は、ギルバート・N・ルイスが「デューテウム」という名前を提案したことに一部基づいている。この名前はギリシャ語のdeuteros「2番目」に由来し、原子核は「デューテロン」または「デュートン」と呼ばれることになっていた。同位体や新元素には、伝統的に発見者が決めた名前が付けられていた。アーネスト・ラザフォードなどの一部のイギリスの科学者は、同位体をギリシャ語のdiploos 「二重」に由来する「ディプロゲン」と呼び、原子核を「ディプロン」と呼ぶことを望んでいた。^{[ 4 ] [ 60 ]}

通常の重水素存在量として推定された量は非常に小さかった（海水中の水素原子6400個中わずか1個程度[156ppm]）ため、これまでの（平均）水素原子量の測定に目立った影響を与えなかった。これが、これまで重水素の存在が疑われなかった理由である。ユーリーは水を濃縮して、重水素が部分的に濃縮されていることを示すことができた。バークレーでユーリーの指導教官を務めていたルイスは、1933年に最初の純粋な重水サンプルを調製し、特性評価を行った。 1932年のニュートロンの発見に先立つ重水素の発見は、理論に対する実験的な衝撃であったが、ニュートロンが報告され、重水素の存在がより説明可能になったとき、ユーリーは同位体の分離からわずか3年後にノーベル化学賞を受賞した。ルイスは1934年のノーベル委員会の決定に深く失望し、バークレーの複数の高位管理職は、この失望が10年後の彼の自殺の中心的な役割を果たしたと信じていた。 ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 4 ]}

戦争の直前、ハンス・フォン・ハルバンとレフ・コワルスキーは中性子減速の研究をフランスからイギリスに移し、ノルウェーで製造された重水の全量を26個の鋼鉄製ドラム缶に詰めて密輸した。^{[ 64 ] [ 65 ]}

第二次世界大戦中、ナチス・ドイツは原子炉設計において、減速材として重水を用いる実験を行っていたことが知られていた。こうした実験は、原子爆弾用のプルトニウム製造につながる可能性があったため、懸念材料となっていた。最終的に、このことが連合国による「ノルウェー重水破壊作戦」へとつながり、その目的はノルウェーのヴェモルク重水素製造・濃縮施設を破壊することであった。当時、この施設の破壊は戦争の進展に大きく影響すると考えられていた。

第二次世界大戦終結後、連合国はドイツが以前考えられていたほど真剣に原子炉開発計画に取り組んでいなかったことを知った。ドイツは小型の実験用原子炉を部分的にしか完成させておらず（しかもそれは隠されていた）、連鎖反応を維持することができなかった。終戦までに、ドイツは原子炉の稼働に必要な重水の5分の1にも満たない量しか確保できていなかった。これはノルウェーによる重水破壊工作が一因であった。しかし、たとえドイツが原子炉の稼働に成功したとしても（米国が1942年末にシカゴ・パイル1号機で成功したように）、原子爆弾の開発にはまだ少なくとも数年を要しただろう。例えば、米国とソ連では、最大限の努力と資金を投入したとしても、最初の臨界原子炉から爆弾製造まで、約2年半を要した。

アメリカ合衆国が製造し、1952年11月1日に爆発させた62トンのアイビー・マイク爆弾は、完全に成功した最初の水素爆弾（熱核爆弾）でした。この点において、放出されたエネルギーの大部分が原子爆弾の一次核分裂段階に続く核反応段階から生じた最初の爆弾でした。アイビー・マイク爆弾は、運搬可能な兵器というよりは、工場のような建物でした。その中心には、非常に大きな円筒形の断熱真空フラスコまたはクライオスタットがあり、約1000リットル（完全に満たされた場合、質量160キログラム）の体積に極低温の液体重水素が保持されていました。そして、爆弾の一端にある通常の原子爆弾（「一次」）を使用して、熱核反応を開始するために必要な極度の高温と圧力の条件を作り出しました。

数年後、極低温水素を必要としない、いわゆる「ドライ」水素爆弾が開発された。公開された情報によると、それ以降に製造されたすべての熱核兵器は、二次段階で重水素とリチウムの化学化合物を含んでいる。重水素を含む物質は主に重水素化リチウムであり、リチウムは同位体リチウム6で構成されている。リチウム6が原子爆弾からの高速中性子で照射されると、三重水素（水素3）が生成され、その後、重水素と三重水素が急速に熱核融合を起こし、大量のエネルギー、ヘリウム4 、そしてさらに多くの自由中性子を放出する。ツァーリ・ボンバのような「純粋な」核融合兵器は時代遅れであると考えられている。ほとんどの現代の（「ブーストされた」）熱核兵器では、核融合が直接供給するエネルギーは全体のほんの一部にすぎない。 D-T核融合によって生成された高速中性子による天然ウラン238タンパーの核分裂は、核融合反応自体よりもはるかに大きな（つまり増幅された）エネルギー放出をもたらす。

2018年8月、科学者たちは気体状の重水素が液体の金属状になることを発表した。これは、木星、土星、および一部の系外惑星などの巨大ガス惑星を研究者がよりよく理解するのに役立つ可能性がある。なぜなら、これらの惑星には大量の液体の金属水素が含まれていると考えられており、それが観測されている強力な磁場の原因となっている可能性があるからである。^{[ 66 ] [ 67 ]}