航天使用的核电源有
放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器和热离子发电器。一般均由热源、换能器（热电转换器）和散热器三部分组成。
同位素温差发电器的常用热源（又称燃料）为
放射性同位素钚 238或它的氧化物，它衰变时产生α粒子,不需要厚的屏蔽物。为防止发电器再入大气层时烧毁而造成污染，热源外盒由特种石墨材料制成。换能器的主要部分是温差电偶，由碲化铅、碲锑锗银四元合金或锗硅合金的p型和n型等半导体元件组成。多对电偶经串联和并联构成电堆，热端靠近热源盒，冷端连接散热器。
散热器由导热良好的金属制成，使冷端温度尽量低，以增大温差，提高热电转换效率。发电系统总的热电转换效率为4.2%～6.6%，比功率为 1.3～4.2瓦/千克。这种发电器系统简单、可靠、热源工作期长，但钚238难于大量生产，价格高,电功率小(1千瓦以下),比功率和热电转换效率都低。1961年美国发射“子午仪”号导航卫星首次使用同位素
温差发电器，电功率为2.7瓦,比功率约为1.3瓦/千克。核反应堆温差发电器的热源为铀235,衰变产生的热用钠钼热管导至温差电堆的热端。
铀 235衰变后产生大量快中子和γ射线，会严重影响航天器上电子器件的功能，须用厚铅层屏蔽。1965年发射的SNAP-10A卫星上采用了这种电源，电功率为560瓦，燃料11千克,工作43天。热离子发电器将铀 235衰变产生的热传到热离子二极管的发射极，使之加热产生热离子，这些热离子通过电极间的铯蒸汽传至收集极而得到电能。一种实用的热离子发电器的发射极温度为1773K,收集极温度为773K。每台发电器备燃料50千克,功率3～5千瓦。这类发电器使用的铀235价格较低，供应容易，但发电器的可靠性较差。