Reaktor pembiak
Pemrosesan ulang

Fisi bahan bakar nuklir di reaktor mana pun pasti menghasilkan produk fisi yang menyerap neutron. Seseorang harus mengolah kembali bahan subur dari reaktor pemulia untuk menghilangkan racun neutron tersebut. Langkah ini diperlukan untuk memanfaatkan sepenuhnya kemampuan membiakkan sebanyak atau lebih banyak bahan bakar daripada yang dikonsumsi. Semua pemrosesan ulang dapat menimbulkan masalah proliferasi, karena dapat mengekstrak bahan yang dapat digunakan untuk senjata dari bahan bakar bekas. Teknik pemrosesan ulang yang paling umum, PUREX, menghadirkan perhatian khusus, karena secara tegas dirancang untuk memisahkan plutonium murni. Proposal awal untuk siklus bahan bakar pembiak-reaktor menimbulkan kekhawatiran proliferasi yang lebih besar karena mereka akan menggunakan PUREX untuk memisahkan plutonium dalam bentuk isotop yang sangat menarik untuk digunakan dalam senjata nuklir.
Beberapa negara sedang mengembangkan metode pemrosesan ulang yang tidak memisahkan plutonium dari aktinida lainnya. Misalnya, proses electrowinning pirometalurgi berbasis air, ketika digunakan untuk memproses ulang bahan bakar dari reaktor cepat integral, meninggalkan sejumlah besar aktinida radioaktif dalam bahan bakar reaktor. Sistem pemrosesan ulang berbasis air yang lebih konvensional termasuk SANEX, UNEX, DIAMEX, COEX, dan TRUEX, dan proposal untuk menggabungkan PUREX dengan proses bersama tersebut dan lainnya. Semua sistem ini memiliki resistensi proliferasi yang cukup baik daripada PUREX, meskipun tingkat adopsinya rendah.
Dalam siklus deret thorium, isotop thorium-232 berkembang biak dengan mengubah terlebih dahulu menjadi isotop protactinium-233, yang kemudian meluruh menjadi isotop uranium-233. Jika protactinium tetap berada di dalam reaktor, sejumlah kecil uranium-232 juga diproduksi, yang memiliki pemancar gamma kuat thallium-208 dalam rantai peluruhannya. Mirip dengan desain berbahan bakar uranium, semakin lama bahan bakar dan bahan subur tetap berada di dalam reaktor, semakin banyak elemen yang tidak diinginkan ini terbentuk. Sehingga memerlukan usaha pengawasan, pembersihan, pemeliharaan, perawatan atau penanganan, perbaikan, penggantian komponen teaktor yang tidak berfungsi normal. Dalam reaktor thorium komersial yang dibayangkan, uranium-232 tingkat tinggi akan dibiarkan terakumulasi, menyebabkan dosis radiasi gamma yang sangat tinggi dari setiap uranium yang berasal dari torium. Sinar gamma ini memperumit penanganan senjata yang aman dan desain elektroniknya; ini menjelaskan mengapa uranium-233 tidak pernah digunakan untuk senjata di luar demonstrasi pembuktian konsep.
Sementara siklus thorium mungkin tahan proliferasi sehubungan dengan ekstraksi uranium-233 dari bahan bakar (karena adanya uranium-232), ia menimbulkan risiko proliferasi dari rute alternatif ekstraksi uranium-233, yang melibatkan ekstraksi kimiawi protactinium-233 dan membiarkannya meluruh menjadi uranium-233 murni di luar reaktor. Proses ini jelas merupakan operasi kimiawi yang tidak diperlukan untuk operasi normal desain reaktor ini, tetapi dapat terjadi di luar pengawasan organisasi seperti Badan Energi Atom Internasional (IAEA), dan dengan demikian harus dilindungi.