โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบถังกรวด เป็นการรวมความก้าวหน้าทางวิศวกรรมนิวเคลียร์ 2 อย่างเข้าด้วยกัน คือ การใช้แกนเครื่องปฏิกรณ์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ ที่เคยมีการทดลองมาแล้วในอดีต กับการออกแบบเชื้อเพลิงใหม่ ทำให้มีความซับซ้อนน้อยลง ขณะที่มีความปลอดภัยสูงขึ้น

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยูเรเนียม ทอเรียม หรือพลูโตเนียม ที่เป็นสารประกอบออกไซด์หรือคาร์ไบด์ จะทำให้อยู่ในรูปเซรามิกส์ บรรจุอยู่ใน pyrolytic graphite ทรงกลมขนาดเล็ก ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นสารหน่วงนิวตรอน ทรงกลมแต่ละก้อนจะเป็นเสมือนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดจิ๋ว ที่มีความสมบูรณ์ในตัวเอง เมื่อแยกออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์ตัวใหญ่ เมื่อนำเชื้อเพลิงทรงกลมขนาดเล็กเหล่านี้มารวมกันมากพอ ก็จะทำให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นต่อเนื่องถึงค่าวิกฤตได้

สิ่งที่นับเป็นความก้าวหน้าหลักของเครื่องปฏิกรณ์แบบถังกรวด คือการออกแบบให้สามารถควบคุมได้ด้วยตัวเอง เช่น เมื่อเครื่องปฏิกรณ์มีความร้อนสูงมากขึ้น นิวตรอนจะมีพลังงานสูงขึ้น และจะทำปฏิกิริยากับ ยูเรเนียม-235 ได้น้อยลง ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันน้อยลง ทำให้เชื้อเพลิงมีอุณหภูมิต่ำลง เป็นการควบคุมกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์ได้เองตามธรรมชาติ

กรวดเชื้อเพลิง จะบรรจุอยู่ในถังหรือกระบอก และมีก๊าซเฉื่อย เช่น ก๊าซฮีเลียม ก๊าซไนโตรเจน ไหลเวียนผ่านช่องว่างระหว่างเม็ดเชื้อเพลิง เพื่อพาความร้อนออกไปจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ ตามทฤษฎีแล้ว ก๊าซร้อนจะถูกส่งไปหมุนกังหันโดยตรง แต่ก๊าซเหล่านี้อาจมีกัมมันตภาพรังสีจากการทำปฏิกิริยากับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้นจึงอาจส่งผ่านความร้อนไปที่ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อให้ความร้อนกับก๊าซอีกระบบหนึ่งเพื่อให้ปราศจากรังสีซะก่อน เช่นการนำไปผลิตไอน้ำ เป็นต้น โดยก๊าซที่ออกมาจากการขับกังหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแล้วจะยังมีความร้อน ซึ่งความร้อนที่เหลือนี้เองอาจนำไปใช้ทำความอบอุ่นให้กับอาคารหรือโรงงงานเคมี หรือเพิ่มความร้อนให้กับเครื่องทำความร้อนได้ เป็นการใช้พลังงานอย่างเกิดประโยชน์สูงสุดแทนที่จะเสียเปล่า