氦冷卻核反應(yīng)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(yīng)堆，屬第四代核能系統(tǒng)——高溫氣冷堆。這里所說的高溫是指氣體的溫度達(dá)到了較高的程度。因?yàn)樵谶@種反應(yīng)堆中，采用了陶瓷材料和耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)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(shí)，由于結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(gè)小球一般涂三層，最內(nèi)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(chǎn)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(shí)心的。球形元件堆放時(shí)，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(nèi)幾乎不會(huì)破裂。高溫氣冷堆的冷卻劑是氦氣，在氦循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下不斷通過堆芯將裂變能帶出，進(jìn)行閉式循環(huán)。堆芯放在有石墨襯里的預(yù)應(yīng)力混凝土壓力容器內(nèi)。

氦冷卻核反應(yīng)堆的冷卻劑是氦氣，球形元件重疊時(shí)，彼此間有空隙可供高溫氦氣流過。在氦循環(huán)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，氦氣不斷通過堆芯將裂變熱帶出，進(jìn)行閉式循環(huán)。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(jìn)行間接循環(huán)的高溫氣冷堆。其反應(yīng)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(shí)的氦氣流量達(dá)4600t。這種閉式循環(huán)的高溫氦氣經(jīng)過蒸汽發(fā)生器管內(nèi)時(shí)，使蒸汽發(fā)生器管外流動(dòng)著的二回路的水變?yōu)楦邷卣羝驂核涯菢尤ネ苿?dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。這種間接循環(huán)的高溫氣冷堆的基建投資估計(jì)比相同規(guī)模的壓水堆核電站高出40%，而且要用90%富集度的高濃鈾，經(jīng)濟(jì)上沒有競(jìng)爭(zhēng)力。第二種是直接循環(huán)的高溫氣冷堆。這種堆產(chǎn)生850℃的高溫氦氣，不經(jīng)過蒸汽發(fā)生器這一中間環(huán)節(jié)，直接去推動(dòng)氦汽輪機(jī)。氦汽輪機(jī)排出

的余熱又可以供氨蒸汽循環(huán)使用。采用這種雙重循環(huán)發(fā)電，熱能利用率可達(dá)50%。也可利用氦汽輪機(jī)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(yīng)堆堆芯的高溫氦氣直接推動(dòng)氦汽輪機(jī)時(shí)，不會(huì)像沸水堆核電站直接循環(huán)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(chǎn)氫氣、煤的液化和氣化等。如果在燃?xì)廨啓C(jī)后增加兩道氨蒸汽循環(huán)發(fā)電，則熱能利用效率可達(dá)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(nèi)，目前采用的材料的強(qiáng)度難以滿足需要。氦循環(huán)風(fēng)機(jī)、氦汽輪機(jī)等大型設(shè)備也需要進(jìn)行研制。