Si par contre on utilise de l'eau lourde (avec du deutérum à la place de l'hydrogène) on a toujours l'effet modérateur recherché, mais l'absorption de neutrons est limitée, ce qui permet d'utiliser de l'uranium naturel (non enrichi) et d'arriver malgré tout à une réaction en chaine. Le deuterium est un isotope stable (non radioactif) de l'hydrogène présent naturellement dans l'eau à raison d'un atome de deutérium sur 6420.

L'eau lourde n'est pas beaucoup plus lourde que l'eau normale: 11%, parce que le poids de l'eau provient principalement de l'oxygène, pas de l'hydrogène.

Ces réacteurs sont toujours de type à eau pressurisée (l'eau du circuit primaire ne boût pas). Le combustible doit être remplacé plus souvent et les centrales sont conçues différemment pour permettre un remplacement de combustible pendant que la centrale est en fonctionnement.

On élimine la necessité d'une séparation isotopique de l'uranium (procédé très complexe), qu'on doit remplacer par une séparation isotopique du deutérium de l'hydrogène. Cette séparation est plus aisée à cause de la différence de masse qui est double. On utilise par exemple une distillation (l'eau lourde boût à une température un peu plus élevée).

Le réacteur CANDU (Canada Deuterium Uranium) est le type de réacteur à eau lourde le plus utilisé. Le circuit secondaire et tertiaire est identique à celui d'un réacteur à eau pressurisée.

Il a été développé au Canada au début de l'ère du nucléaire. Les premiers réacteurs étaient peu fiables à cause de la technologie que n'était pas au point. Certains composants du réacteur ont dû être fabriqués en Grande Bretagne parce que le Canada ne disposait pas de la technologie nécessaire.

L'eau lourde ayant un effet modérateur moindre que l'eau normale, il faut que les neutrons traversent une plus grande quantité de modérateur. Il y a donc un espacement plus grand entre les barres de combustible. Tout le réacteur doit ainsi être plus grand.

Mais la technologie de l'époque ne permettait pas de fabriquer de grands réacteurs. On utilise alors deux systèmes d'eau lourde: l'eau lourde comme fluide caloporteur qui circule dans les canaux horizontaux. Ici la température et la pression sont très élevées (310° et 100 bar). Autour, il y a un gros chaudron d'eau lourde (appellé calandre au Canada) qui fait effet de modérateur. L'eau est à relativement basse température (70 à 80°) et la pression ne doit pas être élevée. Il y a un gaz isolant entre les tubes de force (qui contiennent le carburant et où circule l'eau de refroidissement) et la calandre.

Il est possible d'utiliser d'autres fluides caloporteur: huile, eau légère et même sels fondus.

La technologie permet d'utiliser du carburant nucléaire non enrichi (nettement moins onéreux), de l'uranium de retraitement et de MOX en provenance d'armes nucléaires démantelées. Le surcoût initial causé par l'eau lourde est rapidement récupéré et ce type de centrale permet de fournir de l'électricité à environ 5 eurocent le kW.

Ce type de réacteur produit le plus de déchets nucléaires, car les barres de carburant contiennent peu de carburant. Les autres matières peuvent devenir radioactives suite au bombardement de neutrons.

La technologie a été vendue à plusieurs pays, mais ce type de réacteur n'est plus développé.