「トリウム溶融塩炉」は、従来の主流原子炉である「軽水炉」が持つ使用済核燃料の処理に関する問題を原理的に解決します。

軽水炉は原爆のような核分裂の爆発的な連鎖反応を抑制させるため、大量のウラン238を核燃料に混入して余分な中性子を吸収させていますが、これらのウラン238は燃料交換の時に大半が燃え残って使用済核燃料となります。一方、溶融塩炉では長期間持続的に可動し核燃料を燃やし尽くすので、燃え残しの使用済核燃料を大量に発生させることがありません。
(原子炉内の燃料塩は定期的に化学処理を行って核分裂生成物を除去した後、原子炉に戻して燃やし続ける)

軽水炉で使用されるウラン238は中性子を吸収するとプルトニウムが生成され、さらに中性子を吸収するとプルトニウムよりも重い超ウラン元素を発生させます。それらの超ウラン元素は半減期が数万年にも及び、地層埋設してもそれだけの長期間管理し続けることが難しいため、使用済核燃料の最終処分を困難にしています。
一方、トリウム熔融塩炉では、トリウム232が中性子を吸収して大半が核燃料のウラン233(又はウラン235)となって燃焼されるため、プルトニウムや超ウラン元素を発生させることはほとんどありません。このため、使用済核燃料として処分しなければならない核分裂生成物の発生量はわずかで、その多くも半減期が最大で数百年程度と短いため、使用済核燃料処理の負荷は極めて小さいのです。

溶融塩では、既存原発で生成したプルトニウムをU233の代わりの燃料として、軽水炉でのブルサーマルより効率的に燃やし、減容化することができます。また、その他の超ウラン元素も核分裂性同位体は燃料として利用でき、減容化することができます。