ธาตุไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดในธรรมชาติ นิวเคลียสจะมีโปรตอนเพียงแค่ 1 ตัว (1H) โดยอีกไอโซโทปนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว (2H) ไอโซโทปตัวนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่า deuterium หรือใช้สัญลักษณ์ว่า D ดังนั้นในงานที่ต้องการระบุว่าอะตอมไฮโดรเจนที่สนใจนั้นคือ deuterium ก็จะใช้ D แทน H เช่นโมเลกุลน้ำทั่วไปจะใช้สูตรเคมีว่า H2O แต่ถ้าต้องการเน้นว่าอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมนั้นเป็น deuterium ก็จะเขียนสูตรเคมีเป็น D2O น้ำที่มีสูตรโมเลกุลเป็น D2O จะเรียกว่าเป็น heavy water เพราะมันมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำปรกติทั่วไป
เมื่อนิวเคลียสของอะตอมถูกยิงด้วยนิวตรอน นิวตรอนก็อาจสะท้อนหรือถ่ายเทพลังงานให้กับอะตอมที่มันชน หรือถ้าอะตอมที่ถูกนิวตรอนชนนั้นดูดซับตัวนิวตรอนเข้าไป อะตอมที่ดูดซับนิวตรอนนั้นก็อาจเกิดการแตกออกเป็นนิวเคลียสที่มีชนาดเล็กลง ปฏิกิริยานี้เรียกว่านิวเคลียร์ฟิชชัน (nuclear fission) หรือไม่ก็ไม่แตกออกแต่เกิดการเปลี่ยนแปลงกลายเป็นธาตุตัวใหม่ ส่วนที่ว่าจะเกิดแบบไหนนั้นก็ขึ้นอยู่กับไอโซโทปของธาตุและพลังงานของนิวตรอนที่ชน อย่างเช่นถ้าเป็นอะตอมของธาตุเบา (เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน) ก็จะเป็นการสะท้อนหรือถ่ายเทพลังงาน แต่ถ้าเป็นอะตอมของธาตุหนัก ก็จะมีทั้งการแตกออกและเกิดเป็นธาตุใหม่
ยูเรเนียมมีไอโซโทปที่สำคัญ 2 ตัว ตัวที่มีมากที่สุดคือ U-238 โดยมี U-235 เพียงส่วนน้อย แต่ U-235 นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้เมื่อถูกยิงด้วยนิวตรอนพลังงานต่ำ แล้วมันก็จะคายพลังงานและปลดปล่อยนิวตรอน (ที่มีพลังงานสูงกว่าตัวที่ยิงเข้าไป) ออกมาอีกหลายตัว ดังนั้นถ้าต้องการให้นิวตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันนั้นสามารถทำให้อะตอม U-235 อะตอมอื่นเกิดการแตกตัวได้ ก็ต้องหาทางลดพลังงานของนิวตรอนที่เกิดขึ้น และสารที่นำมาใช้งานดังกล่าวก็จะเรียกว่า neutron moderator
U-238 แตกตัวได้ถ้าถูกยิงด้วยนิวตรอนพลังงานสูง มันก็เลยถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงเสริมในระเบิดนิวเคลียร์ คือให้นิวตรอนพลังงานสูงที่เกิดจากการระเบิดก่อนหน้าไปทำให้อะตอม U-238 แตกตัวคายพลังงานออกเพิ่มเติม แต่ถ้ามันถูกยิงด้วยนิวตรอนที่มีพลังงานพอเหมาะ มันก็จะดูดกลืนนิวตรอนตัวนั้น และอะตอม U-238 เป็นจะเปลี่ยนเป็นธาตุใหม่คือพลูโทเนียม (Pu) โดยไอโซโทปที่ได้คือ Pu-239
และที่สำคัญคือ Pu-239 สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันได้ง่ายเช่นเดียวกับ U-235 และยังสามารถผลิตได้จาก U-238 ที่มีปริมาณมากกว่า U-235 อยู่มาก
ความเข้มข้น U-235 ที่ใช้ในเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้ผลิตความร้อนนั้น มีทั้งแบบที่มีความเข้มข้นสูงกว่าที่มีในธรรมชาติ (enriched uranium) และแบบที่มีความเข้มข้นเท่ากับที่มีในธรรมชาติ (natural uranium) ส่วนที่ว่าจะใช้แบบไหนก็ขึ้นกับว่าเน้นการผลิตความร้อนเพื่อไปผลิตไฟฟ้าหรือผลิต Pu-239 เพื่อนำไปผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ต่อ
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (nuclear) มีหลากหลายรูปแบบ รูปแบบหนึ่งที่สามารถนำมาใช้สำหรับผลิต Pu-239 ได้ก็คือชนิดที่ใช้ heavy water (D2O) เป็น neutron modulator (เรียกว่า Heavy Water Reactor หรือ HWR) ข้อดีข้อหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้คือสามารถใช้ natural uranium เป็นเชื้อเพลิงได้ แต่มันก็มีข้อเสียอยู่ตรงที่ต้องจัดหา heavy water มาใช้งาน
วิธีการแยกอะตอม D ออกจากอะตอม H นั้นมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี วิธีการหนึ่งที่มีการนำมาใช้ในการผลิต heavy water ในระดับอุตสาหกรรมคือการให้แก๊สไฮโดรเจน (ที่มีอะตอม D ร่วมอยู่ด้วย) ทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเหลว (liquid NH3) ภาย ภายใต้อุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม โมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนกับแอมโมเนียจะมีการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนกัน ทำให้สัดส่วนอะตอม D ในแอมโมเนียเพิ่มสูงขึ้น ด้วยการที่ NH3 และ ND3 มีอุณหภูมิจุดเดือดต่างกันอยู่ประมาณ 1ºC จึงยังพอจะแยกออกจากกันด้วยการกลั่นได้ (รูปที่ ๑ มุมขวาบนที่เขียนว่า Finishing Distillation Columns คือหอกลั่นแยก โดย ND3 จะออกมาทางด้านล่างของหอกลั่น) เมื่อได้ ND3 ความเข้มข้นสูงมาแล้วก็จะนำไปเผากับออกซิเจน ก็จะได้ D2O ความเข้มข้นสูงออกมา (มุมล่างขวาของรูปที่ ๑ บอกว่าได้ความเข้มข้น 99.75%)
ในการทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนในหอสัมผัสนั้น แอมโมเนียจะถูกปล่อยให้ไหลลงล่างโดยมีแก๊สไฮโดรเจนวิ่งสวนขึ้นข้างบน เพื่อให้ได้การแลกเปลี่ยนอะตอมที่มากพอ ขนาดของหอสัมผัส (บรรดา tower ต่าง ๆ ในรูปที่ ๒) จึงมีความสูงมากอยู่เหมือนกัน คือในระดับ 100 เมตร
ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนอะตอมไฮโดรเจนระหว่างแก๊สไฮโดรเจนและแอมโมเนียนั้นจะรวดเร็วขึ้นถ้าหากมีการเติมสารประกอบ amide บางชนิดเข้าไปในแอมโมเนียเหลวนั้น และสารตัวหนึ่งที่ทำหน้าที่นี้ได้ดีก็คือ potassium amide (KNH2) ซึ่งก็ดูเหมือนว่าตัวนี้น่าจะเป็นตัวที่ดีที่สุด เพราะเมื่อไปค้นสิทธิบัตรหรือบทความที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ก็พบว่ามีการพูดถึงสารประกอบ amide หลากหลายชนิดว่าสามารถใช้ได้ แต่ถ้าจะให้คุ้มค่าที่จะนำมาใช้ผลิตในเชิงพาณิชย์ก็คงต้องเป็น KNH2 ตัวนี้ เพราะขนาดรายชื่อสินค้าที่ใช้ได้สองทางที่ระบุไว้ใน EU List ยังระบุควบคุมปั๊มสำหรับไหลหมุนเวียนสารละลาย KNH2 ในแอมโมเนียเหลว แทนที่จะเขียนกว้าง ๆ เพื่อให้ครอบคลุมไปยังสารประกอบ amide ตัวอื่นด้วย
(หมายเหตุ : เมื่อลองค้นหาความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของ NH3 กับ ND3 ปรากฏว่าข้อมูลของ ND3 นั้นไม่ชัดเจน ขนาดข้อมูลภาพรวม AI ของ google เองก็ยังบอกตรงข้ามกัน ขึ้นกับคำถามที่ถาม (ดังเช่นที่จับภาพหน้าจอมาให้ดูในสองรูปถัดไป) แต่บอกเหมือนกันว่าต่างกันประมาณ 1ºC) แต่จากข้อมูลในรูปที่ ๑ ที่ ND3 ออกทางด้านล่างของหอกลั่นนั้น แสดงว่า ND3 น่าจะเป็นตัวที่มีจุดเดือดสูงกว่า)
