高溫氣冷堆是我國完全自主知識產權的先進核能系統。它以氦氣為冷卻劑、石墨為慢化劑，采用獨特的全陶瓷包覆顆粒球形燃料元件。高溫氣冷堆發電效率高，即使采用傳統蒸汽循環方式，其發電效率也可達40%以上。此外，高溫氣冷堆還能產生滿足石油精煉和煤化工、稠油熱采等領域需求的高品質和多層次的蒸汽，其高溫的特點又適用于大規模、工業（工業行業分析報告）化制取綠氫。

固有安全性好是高溫氣冷堆最明顯的特征和優勢。高溫氣冷堆的核燃料元件是耐高溫全陶瓷包覆顆粒球形核燃料元件，也稱作燃料球。在石島灣高溫氣冷堆示范電站，燃料球直徑為6厘米，最外層是石墨層，里面是彌散在基體石墨粉中的大約1.2萬個4層全陶瓷材料包覆的、直徑0.9毫米的核燃料顆粒。實驗表明，這種燃料球在1620攝氏度高溫條件下，仍能夠有效阻擋放射性泄漏。

在設計理念上，高溫氣冷堆采用模塊式設計，每一個小模塊約為大型壓水堆核電站的1/30。“因此，反應堆停堆后產生的余熱處于較低水平，意味著發生意外時，即使不進行人為干預，反應堆也能自動停堆并將余熱安全地散發出去。反應堆的堆內溫度不可能達到1620攝氏度的高溫限值，更不會發生堆芯熔化。”清華大學核研院副院長董玉杰表示。

上世紀80年代，在中國科學院院士王大中帶領下，清華大學開展先進核能技術研發，在國家“863計劃”支持下，突破了球形燃料元件、球床流動特性等多項關鍵技術，并于2000年建成10兆瓦高溫氣冷實驗堆，2003年并網發電。同年，中國核工業集團有限公司與清華大學共同組建了中核能源科技有限公司，正式開啟我國高溫氣冷堆科技成果轉化之路。

2006年，高溫氣冷堆被列入國家科技重大專項。2008年，高溫氣冷堆總體實施方案獲國務院批準。2012年12月，石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程正式開工，由中國核工業集團有限公司、清華大學、中國華能集團有限公司共同建設。其中，清華大學是技術研發主體，負責研發、總體技術方案及核島主系統主設備的設計，中國核工業集團有限公司作為示范工程建設實施主體及燃料元件生產單位，中國華能集團作為示范工程建設營運主體。