آب سنگين نوع خاصي از مولکولهي آب است که در آن ايزوتوپهاي هيدروژن حضور دارند. اين نوع از آب کليد اصلي تهيه پلوتونيوم از اورانيوم طبيعي است و به همين دليل توليد و تجارت آن تحت نظر قوانين بين المللي صورت گرفته و بشدت کنترل مي شود.

با کمک اين نوع از آب مي توان پلوتونيوم لازم بري سلاح هاي اتمي را بدون نياز به غني سازي بالاي اورانيوم تهيه کرد. از کاربردهاي ديگر اين آب مي توان به استفاده از آن در رآکتورهاي هسته ي با سوخت اورانيوم، بعنوان متعادل کننده (Moderator) به جاي گرافيت و نيز عامل انتقال گرماي رآکتور نام برد.

آب سنگين واژه ي است که معمولا به اکسيد هيدروژن سنگين، D2O يا 2H2O اطلاق مي شود. هيدروژن سنگين يا دوتريوم (Deuterium) ايزوتوپي پايدار از هيدروژن است که به نسبت يک به 6400 از اتم هاي هيدروژن در طبيعت وجود دارد. خواص فيزيکي و شيميايي آن به نوعي مشابه با آب سبک H2O است.

اتم هاي دوتريوم ايزوتوپ هاي سنگيني هستند که بر خلاف هيدروژن معمولي، هسته آنها شامل نوترون نيز هست. جايگزيني هيدروژن با دوتريوم در مولکولهاي آب سطح انرژي پيوند هاي مولکولي را تغيير داده و طبيعتآ خواص متفاوت فيزيکي، شيميايي و بيولوژيکي را موجب مي شود، بطوري که اين خواص را در کمتر اکسيد ايزوتوپي مي توان مشاهده کرد. بعنوان مثال ويسکوزيته (Viscosity) يا به زبان ساده تر چسبندگي آب سنگين به مراتب بيشتر از آب معمولي است. 

آب نيمه سنگين
چنانچه در اکسيد هيدروژن تنها يکي از اتمهاي هيدروژن به يزوتوپ دوتريوم تبديل شود نتيجه حاصله (HDO) را آب نيمه سنگين مي گويند. در مواردي که ترکيب مساوي از هيدروژن و دوتريوم در تشکيل مولکوهي آب حضور داشته باشند، آب نيمه سنگين تهيه مي شود. دليل ين امر تبديل سريع اتم هاي هيدروژن و دوتريوم بين مولکولهاي آب است، مولکول آبي که از 50 درصد هيدروژن معمولي (H) و 50 درصد هيدروژن سنگين(D) تشکيل شده است، در موازنه شيميايي در حدود 50 درصد HDO و 25 درصد آب (H2O) و 25 درصد D2O خواهد داشت.

نکته قابل توجه آن است که آب سنگين را نبيد با با آب سخت که اغلب شامل املاح زياد است و يا آب تريتيوم (T2O or 3H2O) که از ايزوتوپ ديگر هيدروژن تشکيل شده است، اشتباه گرفت. تريتيوم ايزوتوپ ديگري از هيدروژن است که خاصيت راديواکتيو دارد و بيشتر براي ساخت موادي که از خود نور منتشر مي کنند بکار برده مي شود.

آب با اکسيژن سنگين
آب با اکسيژن سنگين، در حالت معمول H218O است که به صورت تجارتي در دسترس است ببيشتر براي رديابي بکار برده مي شود. بعنوان مثال با جايگزين کردن اين آب (از طريق نوشيدن يا تزريق) در يکي از عضوهاي بدن مي توان در طول زمان ميزان تغيير در مقدار آب اين عضو را بررسي کرد.

اين نوع از آب به ندرت حاوي دوتريوم است و به همين علت خواص شيميایي و بيولوژيکي خاصي ندارد براي همين به آن آب سنگين گفته نمي شود. ممکن است اکسيژن در آنها بصورت ايزوتوپهاي O17 نيز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فيزيکي اين آب با آب معمولي تنها چگالي بيشتر آن است.

تاريخچه
هارولد يوري (Harold Urey , 1893-1981، شيميدان و از پيشتازان فعاليت روي ايزوتوپها که در سال 1934 جايزه نوبل در شيمي گرفت.) در سال 1931 ايزوتوپ هيدروژن سنگين را که بعد ها به منظور افزايش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.

همچنين در سال 1933، گيلبرت نيوتن لوئيس (Gilbert Newton Lewis شيميدان و فيزيکدان مشهور آمريکايي) استاد هارولد يوري توانست بري اولين بار نمونه آب سنگين خالص را بوسيله عمل الکتروليز بوجود آورد.

اولين کاربرد علمي از آب سنگين در سال در سال 1934 توسط دو بيولوژيست بنامهاي هوسي (Hevesy) و هافر(Hoffer) صورت گرفت. آنها از آب سنگين براي آزمايش رديابي بيولوژيکي، به منظور تخمين ميزان بازدهي آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.