本发明公开了一种串列式高温气冷堆核能系统及其运行方法，本发明实施例的串列式高温气冷堆核能系统包括多个高温气冷堆和串列气冷堆，高温气冷堆包括第一反应堆压力容器，第一反应堆压力容器具有第一反应堆腔，第一反应堆腔用于容纳第一燃料元件；串列气冷堆包括第二反应堆压力容器，第二反应堆压力容器具有第二反应堆腔，多个高温气冷堆的第一反应堆腔均与第二反应堆腔相连，以便第一反应堆腔内的第一乏燃料进入第二反应堆腔。本发明实施例的串列式高温气冷堆核能系统使得从高温气冷堆卸出的乏燃料，可以直接作为串列气冷堆的燃料继续使用，从而可以提高核燃料利用率，降低气冷堆核能系统的燃料成本，利于高温气冷堆的产业化推广应用。