Feste Brennstoffe wie Brennstäbe bei heutigen wassermoderierten Reaktoren gibt es beim DFR nicht mehr. Es zirkuliert eine Flüssigkeit, die abwechselnd durch den Reaktorkern und durch eine interne Aufarbeitungsanlage läuft. Nur im Reaktorkern ist diese so dicht gepackt, dass eine kontinuierliche Spaltrate aufrecht erhalten wird - der Reaktor wird kritisch.

Diese Flüssigkeit muss natürlich spaltbare Stoffe wie Uran oder Plutonium (allgemein Aktiniden) beinhalten. Auch Thorium als Brutmaterial ist geeignet, wenn auch nicht so gut wie Uran, aber besser als bei allen anderen Thorium-Reaktoren. Die Aufarbeitung vereinfacht sich erheblich durch die Verwendung von Salzen, denn hier können bewährte Verfahren wie fraktionierte Destillation oder Elektroraffination verwendet werden. Aus der Küche kennt jeder Natriumchlorid, das Kochsalz. Bei 800 °C wird es zu einer zähen Flüssigkeit, bei 1000 °C verhält es sich fast wie Wasser, und bei 1500 °C verdampft es. Beim Flüssigsalzreaktor haben wir es dann mit Plutoniumchlorid, Uranchlorid und ähnlichem zu tun, die Siedetemperaturen betragen hier knapp 1700 °C.

Auch mit Fluor lassen sich Salze bilden, also z.B. Uranfluorid. Bereits in den 1960er Jahren gab es ein Reaktorexperiment, das Molten-Salt Reactor Experiment MSRE, mit Fluor-Salzen, bei dem eine interne Aufarbeitung des Brennstoffs nach dem Destillationsverfahren erprobt wurde und welches nach einigen Jahren erfolgreich abgeschlossen wurde. Der Grund, Fluorsalze zu verwenden, bestand in der stärkeren Abbremsung (Moderation) der Neutronen, was beim MSRE erwünscht war - es handelte sich um einen sogenannten thermischen Reaktor. Der DFR ist hingegen ein Schnellspaltreaktor, eine Moderation ist hier also unerwünscht. Chlor-Salze haben außerdem niedrigere Siedepunkte, was die Destillation vereinfacht, und sind im allgemeinen weniger korrosiv, greifen also die Strukturmaterialien nicht so stark an. Natürliches Chlor besteht zu 75% aus dem Isotop Cl-35, der Rest ist Cl-37. Cl-35 würde sehr viele Neutronen einfangen und somit den effektiven Betrieb des Reaktors stören, im DFR wird daher reines Cl-37 (Anteil 99%) zur Salzbildung verwendet. Die Anreicherungsmethoden waren damals noch nicht so effektiv, was einen weiteren Grund für die Verwendung von Fluorsalzen und damit der Bevorzugung eines thermischen Flüssigsalzreaktors war.

Im Kern eines Reaktors, der ca. 1,5 Gigawatt Elektrizität produzieren kann, befinden sich 6 bis 8 Kubikmeter eines homogenen Gemischs aus Aktinid-Salzen in tausenden parallelen Röhren, etwa nochmal soviel im Umlauf oder in Lagertanks. Sie laufen mit bis zu 1 m/s von unten durch den Kern und dann in die interne Aufarbeitungsanlage, die "Pyrochemical Processing Unit" PPU. Ein typisches Gemisch besteht aus ca. 15% bis 20% Plutoniumsalzen, der Rest ist im wesentlichen Uransalz. Im Reaktorkern wird ein winziger Bruchteil der Aktiniden gespalten und dabei die Nutzwärme freigesetzt. Die dabei erzeugten Spaltprodukte können in der PPU abgetrennt und durch „frische” Aktinide ersetzt werden. Auf diese Weise kann ständig eine konstante optimale Mischung aufrecht erhalten werden.