高温气冷堆是我国完全自主知识产权的先进核能系统。它以氦气为冷却剂、石墨为慢化剂，采用独特的全陶瓷包覆颗粒球形燃料元件。高温气冷堆发电效率高，即使采用传统蒸汽循环方式，其发电效率也可达40%以上。此外，高温气冷堆还能产生满足石油精炼和煤化工、稠油热采等领域需求的高品质和多层次的蒸汽，其高温的特点又适用于大规模、工业（工业行业分析报告）化制取绿氢。
固有安全性好是高温气冷堆最明显的特征和优势。高温气冷堆的核燃料元件是耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，也称作燃料球。在石岛湾高温气冷堆示范电站，燃料球直径为6厘米，最外层是石墨层，里面是弥散在基体石墨粉中的大约1.2万个4层全陶瓷材料包覆的、直径0.9毫米的核燃料颗粒。实验表明，这种燃料球在1620摄氏度高温条件下，仍能够有效阻挡放射性泄漏。
在设计理念上，高温气冷堆采用模块式设计，每一个小模块约为大型压水堆核电站的1/30。“因此，反应堆停堆后产生的余热处于较低水平，意味着发生意外时，即使不进行人为干预，反应堆也能自动停堆并将余热安全地散发出去。反应堆的堆内温度不可能达到1620摄氏度的高温限值，更不会发生堆芯熔化。”清华大学核研院副院长董玉杰表示。
上世纪80年代，在中国科学院院士王大中带领下，清华大学开展先进核能技术研发，在国家“863计划”支持下，突破了球形燃料元件、球床流动特性等多项关键技术，并于2000年建成10兆瓦高温气冷实验堆，2003年并网发电。同年，中国核工业集团有限公司与清华大学共同组建了中核能源科技有限公司，正式开启我国高温气冷堆科技成果转化之路。
2006年，高温气冷堆被列入国家科技重大专项。2008年，高温气冷堆总体实施方案获国务院批准。2012年12月，石岛湾高温气冷堆核电站示范工程正式开工，由中国核工业集团有限公司、清华大学、中国华能集团有限公司共同建设。其中，清华大学是技术研发主体，负责研发、总体技术方案及核岛主系统主设备的设计，中国核工业集团有限公司作为示范工程建设实施主体及燃料元件生产单位，中国华能集团作为示范工程建设营运主体。