氦冷卻核反應堆是第三代氣冷堆，它是石墨作為慢化劑，氦氣作為冷卻劑的反應堆，屬第四代核能系統——高溫氣冷堆。這里所說的高溫是指氣體的溫度達到了較高的程度。因為在這種反應堆中，采用了陶瓷材料和耐高溫的石墨結構材料，并用了惰性的氦氣作冷卻劑，這樣，就把氣體的溫度提高到750℃以上。同時，由于結構材料石墨吸收中子少，從而加深了燃耗。另外，由于顆粒狀燃料的表面積大、氦氣的傳熱性好和堆芯材料耐高溫，所以改善了傳熱性能，提高了功率密度。這樣，氦冷卻核反應堆成為一種高溫、深燃耗和高功率密度的堆型。
氦冷卻核反應堆的核燃料，是用溶膠凝膠法，將二氧化鈾或碳化鈾制成直徑小于1mm的小球，其外部包裹著熱解碳涂層和碳化硅涂層。每個小球一般涂三層，最內的涂層疏松多孔，可以使燃料小球因升溫和輻照腫脹而造成的體積膨脹得到緩沖；最外的涂層比較致密，可以阻擋裂變氣體的外逸。這兩層之間是阻擋固體裂變產物外逸的碳化硅涂層。將這種涂層顆粒燃料與石墨粉均勻混合之后，外面再包一些石墨粉，就可制成棱柱形、圓柱形或珠形燃料元件。柱形元件之間有氣體流過的通道，球形元件則是實心的。球形元件堆放時，彼此間有空隙可供氣體流過。由于每顆燃料小球有多層包殼，而且每顆燃料小球之間都有石墨包圍，所以這種燃料元件在堆內幾乎不會破裂。高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環風機的驅動下不斷通過堆芯將裂變能帶出，進行閉式循環。堆芯放在有石墨襯里的預應力混凝土壓力容器內。
氦冷卻核反應堆的冷卻劑是氦氣，球形元件重疊時，彼此間有空隙可供高溫氦氣流過。在氦循環風機的驅動下，氦氣不斷通過堆芯將裂變熱帶出，進行閉式循環。氦氣的壓力一般為4MPa。目前的高溫氣冷堆分為三種：第一種是用蒸汽進行間接循環的高溫氣冷堆。其反應堆出口溫度約750℃，氦氣壓力為4MPa。如果是100萬kW的高溫氣冷堆，每小時的氦氣流量達4600t。這種閉式循環的高溫氦氣經過蒸汽發生器管內時，使蒸汽發生器管外流動著的二回路的水變為高溫蒸汽，向壓水堆那樣去推動汽輪發電機。這種間接循環的高溫氣冷堆的基建投資估計比相同規模的壓水堆核電站高出40%，而且要用90%富集度的高濃鈾，經濟上沒有競爭力。第二種是直接循環的高溫氣冷堆。這種堆產生850℃的高溫氦氣，不經過蒸汽發生器這一中間環節，直接去推動氦汽輪機。氦汽輪機排出
的余熱又可以供氨蒸汽循環使用。采用這種雙重循環發電，熱能利用率可達50%。也可利用氦汽輪機余熱供熱，使之成為核熱電站。由于高溫氣冷堆逸出的放射性甚微，用來自反應堆堆芯的高溫氦氣直接推動氦汽輪機時，不會像沸水堆核電站直接循環那樣給檢修造成困難。第三種是特高溫氣冷堆。這種堆的氦氣出口溫度大950℃以上，可以煉鋼、生產氫氣、煤的液化和氣化等。如果在燃氣輪機后增加兩道氨蒸汽循環發電，則熱能利用效率可達60%。研制后兩種高溫氣冷堆的主要困難是材料。在850-1200℃范圍內，目前采用的材料的強度難以滿足需要。氦循環風機、氦汽輪機等大型設備也需要進行研制。
