20世纪60年代初期，首先在卫星和太空飞行器上使用了燃料电池。这种电池和普通化学电池（即干电池）不同，它实际上是一种发电设备。只要向电池中不断地注入反应物质（流体），排出反应的产物，燃料电池就能长期连续地进行工作。
通常广泛采用的是氢-氧燃料电池。由于这种燃料电池是一种把燃料具有的化学能，也就是氢-氧燃料的燃烧热能连续而直接地转变成电能，没有作机械运动的零部件，所以它的工作稳定可靠。不仅如此，它除了能得到需要的电能外，还可以得到与燃料的消耗量相同的水。这种水经过净化以后就可供人饮用。这对太空飞行器来说，是一种宝贵的副产品。美国的飞船就采用了氢-氧燃料电池。但是，燃料电池的成本高，使用寿命最长为几十天，不能满足长期使用的要求。
后来，人们又采用了太阳能电池作为太空卫星和飞行器用电源。然而，当卫星运行到地球背面，或在月球上漫长的黑夜（一个“月夜”相当于地球上的14个昼夜），或者向远离太阳的其他行星飞行中，太阳能电池就根本无法工作。此外，即使在有阳光的条件下使用太阳能电池，但当需要提供大容量的电能量，仅电池的集光板就得大到上千平方米，这在太空飞行中显然是难以做到的。因此，人们最后才找到了比较理想的太空飞行器和卫星用的电源——空间核反应堆。
在采用反应堆作为空间电源之前，广泛使用的是放射性同位素电池。直到目前，在一些太空飞行器上还大量采用这种核电源。
常用作放射性同位素电池的同位素是钚-238和锶-90，它们的半衰期（放射性元素由于衰而使原有量的一半变成为其他元素所需要的时间）分别是87年和28年。核电池的使用寿命，一般可达5～10年以上，电容量可达几十至上百瓦。然而，它的电容量与空间核反应堆电源比起来就微不足道了。堪称空间电源大力士的核反应堆，其电容量从500瓦至几千瓦，甚至可高达百万瓦。在这种情况下，对于要求电源容量越来越大的一些太空飞行器来说，就理所当然地选用核反应堆作电源了。
太空核反应堆在工作原理上与陆地上的核反应堆基本一样，只是前者由于在太空飞行中使用，要求反应堆体积小，轻便实用。为此，太空核反应堆所用的燃料是纯铀-235。这种核反应堆连同控制装置，大约像2千克重的小西瓜那么大。反应堆运行时产生的热量，一般用以下两种办法转换成电能：一种办法是，将装有液态金属（如水银或钾钠合金）的管子从反应堆中通过，液态金属就吸收热量变成蒸汽，来推动汽轮发电机发电。它的优点是，能量转换效率高，可达30％。缺点是，汽轮机的转速很高，达到每分钟一万转，这在空间飞行无人维修的情况下，很难做到长期安全运行。因此，这种办法未能得到实际使用；另一种办法是，以热电偶或热离子方式发电。它不需要转速很高的汽轮机，所以使用简便，可以长期稳定地发电。
太空核反应堆不仅用作空间飞行器和卫星的主要能源，而且还是未来用于考察和开采月球矿藏的理想电源。在人类征服宇宙空间的伟大事业中，空间核反应堆无疑将是最得力的助手之一。
1992年8月报载，俄罗斯圣彼得堡设计所已建成一台供人造地球卫星使用的微型核电站：“黄玉-2”号，其功率为7000瓦。装置中没有涡轮机，也没有发电机，完全靠反应堆把原子能直接变成电能。微型核电站机组的寿命为5～7年。