ב-29 בדצמבר 1931 הכריז הרולד קלייטון יורי ( Harold Urey ) על הגילוי של מים כבדים (D ₂ O)

הרולד יורי היה כימאי אמריקני אשר קיבל ב-1934 את פרס נובל בכימיה על גילויו של המימן הכבד. התעניינותו במבנה האטום, הובילה אותו לחקר איזוטופים. הוא ביצע זיקוק חוזר ונשנה של מימן נוזלי ובכך היה הראשון לבודד דגימה של דאוטריום . בהסתמך על תגליתו זו הוא הוכיח את קיומם של מים כבדים , תגלית אשר בזכותה הוענק לו פרס נובל לכימיה בשנת 1934.

מים כבדים הם תרכובת שנוסחתה הכימית D ₂ O - מולקולה המורכבת מאטום חמצן הקשור לשני אטומי דאוטריום. המים הכבדים דומים בתכונותיהם הכימיות למים רגילים, אך אטומי המימן הרגילים הוחלפו באיזוטופ מימן כבד יותר – הדאוטריום, ועל כן מסת המים הכבדים גדולה בכ־10% מזו של המים הרגילים.

מים כבדים נמצאים בטבע בכמויות מזעריות. בעיר בדרום נורווגיה, שהייתה כבושה על-ידי הגרמנים, היה קיים בתקופת המלחמה מפעל לייצור מים כבדים. הגרמנים שיעבדו מפעל זה כדי לייצר ולהעביר כמויות גדולות של מים כבדים לגרמניה לשם ניסויי המחקר שלהם בתחום הגרעין, דבר שהדאיג מאוד את מדינות הברית. שלא ידעו הרבה על הנעשה בתחום מחקר הגרעין ועל קצב התקדמותם. כדי לשבש את התקדמות המחקר הגרעיני של הגרמנים ניסו הבריטים לפגוע במפעל ולשבש את קצב אספקת המים הכבדים היוצאת ממנו לגרמניה. הניסיון שנערך על-ידיהם בסוף שנת 1942 נכשל. אך בתחילת שנת 1943 נעשה ניסיון נוסף, הפעם מצד הנורווגים עצמם, לחבל במפעל הנורווגי. ניסיון זה צלח וחלק ניכר מהמפעל נפגע ונהרס בפעולת קומנדו אמיצה. הגרמנים לא אמרו נואש, ולקראת סוף אותה שנה כבר נבנה המפעל מחדש וייצור המים הכבדים בו חודש. אך הייצור בו לא ארך זמן רב, כי עוד לפני שהשנה הסתיימה הופצץ המפעל מן האוויר על-ידי הבריטים ונהרס כמעט לחלוטין.

מים כבדים משמשים הן כחומר מקרר והן כחומר מאט בכורים גרעיניים ומכאן חשיבותם ופרסומם. טרם העידן הגרעיני לא היה כל שימוש בהם, ודבר קיומם לא היה ידוע. על אף הדמיון בתכונות הכימיות והפיסיקליות בין מים רגילים וכבדים, ניתן לזהות שני הבדלים מהותיים: ההבדל הראשון הוא שכיחות. מים כבדים נדירים בטבע ונמצאים בשכיחות של 1 ל־20 מיליון מולקולות מים. למים כבדים (בניגוד למים רגילים) ישנו חתך בליעת נויטרונים נמוך להפליא. בכורים גרעיניים רבים קיימת חשיבות רבה לתכונה זו. אי-היבלעותם של נויטרונים במים הכבדים מאפשרת להם להתנגש בגרעיני אטומים רדיואקטיביים הנמצאים בכור (גרעיני אורניום, לדוגמה). בהתנגשות זו קיים סיכוי לביקוע גרעין האטום, היינו ביקוע גרעיני.