放射性同位素发电机是利用放射性物质衰变所释放的热能来进行发电。放射性物质通常以一个或多个钚-238颗粒形式来应用。也可以使用其他同位素，但对于空间应用而言，只有辐射穿透能力低的元素能够适用，可以被屏蔽材料阻挡以保护敏感的设备。特别的是，欧洲空间局正在研究将镅-241作为欧洲空间电源系统的潜在同位素。

放射性同位素发电机的研制，因空间应用而受到重视。这项工作最早是在蒙德实验室进行的（该实验在50年代初是由蒙萨托研究公司负责为原子能委员会进行工作的）。后来(1960年)，由西屋公司完成《NAP-100》，即100瓦的核辅助发电机的研制工作。《NAP-100》由140对由玻璃和云母热绝缘的温差电偶(碲化铅-锗，碲化铋)构成，最大电功率为131瓦，总效率达5.16%。

此后，在气象站的促进之下，研制成《SNAP-3》(3瓦的锶90核辅助发电机)和五台《SNAP-7》，其中《SNAP-7》发电机的结构如图1，成为首批供实用的放射性同位素发电机。已用在海上浮标、导航灯和声纳信标等设备的电源中。为进行月震实验，《阿波罗-11》号的宇航员曾将一个同位素加热器放在月面上运转，《阿波罗-12》号的宇航员留在月球上的仪器的唯一电源就是《SNAP-27》，它经受了月球表面极高温差考验，功率输出为70瓦。航宇局的《先驱者》和《海盗》等不载人的行星际探测火箭，都使用了放射性同位素电源。

如果将一个放射性同位素发电机的外壳剥开，如图2我们将发现它有四个主要的部分。第一部分为外壳本身，其为一个薄薄的金属罐用来防止内部受到污染 ，通常也用来做为散热器。第二部分为大量的辐射屏蔽物质，虽然这些有时对于发射α粒子的燃料并没有必要。第三部分就是排列整齐的热电元或是热离子转换体，用以把同位素衰变时所放出热的一部分转变为电流。最后，在发电机的中心部分便是整个能量的来源即燃料套。大多数放射性同位素发电机的形状均呈圆柱形柱。

放射性物质释放高能量辐射，它在第一步就已通过包裹放射性同位素放在适当的容器中将其转换成热能。应用屏蔽来控制放射，这方面不仅仅只和载人飞行任务有关，同时也要防止干扰科学仪器。

放射性同位素的衰变提供了恒定的程度的热量，放射性同位素发电机可以利用其中的热电转换系统直接转换成电力能源，或如斯特林发动机通过媒介转换成机械能。前者提供了一个强鲁棒性的系统，没有移动部件或发动机的磨损，后者提供了更高的热-电转换效率，但提高了整体系统的复杂性。

放射性同位素发电机已经在地面和空间应用中成功应用了超过十年。地面系统主要应用于远程发电，因为供应燃料发电机是不切实际的。同时放射性同位素发电机也已广泛地应用于空间中，尤其是到太阳系外的空间任务中。行星际航天任务和其他脱离地球引力场的航天任务可使用放射性同位素发电机。如航天任务执行完毕后将发电机存入在高轨道上，则也可用于地球轨道。在任何情况下都须作出最终的处理。还有就是应用于相对较低功耗的移动系统，如因为大小的原因而无法使用太阳能光伏板的火星表面探测车。

放射性同位素发电机在应用时要注意使用封闭系统加以保护，该系统的设计和构造应保证在可预见的轨道条件下在再人高层大气时承受热力和空气动力，轨道运行条件在有关时包括高椭圆轨道或双曲线轨道。一旦发生撞击，封闭系统和同位素的物理形态应确保没有放射性物质散入环境，以便可以通过一次回收作业完全清除撞击区的放射性。

放射性同位素发电机由于主要是在外层空间使用，因此必须要遵循相关法则，主要是《关于在外层空间使用核动力源的原则》。1992年联合国大会通过《关于在外层空间使用核动力源的原则》，各国在外层空问使用核动力源应遵守下列规则：

1.涉及在外层空间使用核动力源的活动应按照国际法，尤其是《联合国宪章》和《外空条约》进行。

2.在外层空间使用核动力源应限于用非核动力源无法合理执行的航天任务。

3.载有核动力源的空间物体的设计应包括冗余设备、故障纠正系统、牵制和隔离以及部件相互独立等功能。以防止或尽量减少公众接触辐射。

4.核反应堆的设计应能使其在达到运行轨道前不进入临界状态．使之用后存放在足够高度的轨道上，以确保该系统在进入大气层前放射性物质衰变到安全的水平；放射性同位素发电机的设计应使其能承受再入大气层和地面撞击，同时不将放射性物质散人环境。

5.发射核动力源的国家应公开对该系统的安全评价，万一该系统发生故障导致重返地球时，发射国应通知有关国家并帮助消除任何有害影响。

6.各国应按照《外空条约》和《责任公约》。为其设计使用核动力源的外空活动承担责任。在损害赔偿方面，除应按公平合理原则确定赔偿外，还应包括偿还有适当和足够依据的搜索、回收和清理工作的费用，其中包括第三方提供援助的费用。