방사성 동위원소(radio isotope)에서 방출하는 방사선 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전지로서 이용하는 것. 동위원소 발전기 또는 아이소토프전지라고도 한다.

1954년 미국의 RCA 연구소에서 처음으로 공개실험을 하였다. 원자력전지의 기능, 즉 방사선 에너지에서 기전력(起電力)을 얻는 데는 다음 세 가지 방법이 있다.
① 열전변환방식(熱電變換方式):α선이나 β선과 같은 하전입자(荷電粒子)는 물체 속에서 흡수되기 쉬우므로, 방사성 동위원소 자신에 의해 그 태반이 흡수되고, 그 에너지는 열에너지로 변환된다. 따라서, 많은 양의 방사성 동위원소를 열의 절연체로 둘러싸면 방사성 동위원소의 온도를 300~700 ℃로 할 수가 있다. ［그림］은 그 대표적인 것인데, 비스무트-텔루륨(Bi-Te), 납-텔루륨(Pb-Te) 반도체로 이루어진 열전변환소자(熱電變換素子)에 의해 열에너지로부터 기전력을 얻는 방법이다.

② 열이온 변환방식:열전변환방식과 같은 방법으로 방사선의 운동에너지를 열에너지로 변환하고, 이 열에너지에 의해 이미터라 불리는 열음극(熱陰極)을 가열하여 열전자를 방출시켜서 이것을 컬렉터에 모음으로써 기전력을 얻을 수가 있다.

③ 반도체 방식:광전지(光電池)로 사용되는 실리콘 반도체에 방사선을 조사하면, 광전지와 같은 작용에 의해 전지로서 동작을 한다.

〈전지용 방사성 동위원소〉 방사성 동위원소 선원(線源) 자신에서 흡수되기 쉬운 α선 또는 β선을 방출하는 것을 사용한다. 반감기(半減期)가 긴 방사성 동위원소를 사용하는 것이 수명이 긴 전지로서의 장점을 가지게 된다. α선, 또는 β선과 동시에 투과력이 큰 γ선을 방출하는 것에서는 차폐체(遮蔽體)로서 납이나 감손(減損) 우라늄이 필요하게 되어, 전지 전체로서의 무게가 무거워진다.

또 β선만을 방출하는 방사성 동위원소에서도 β선이 흡수될 때 제동복사(制動輻射)라 불리는 현상에 의해 X선이 발생한다. 이에 대하여 차폐체를 사용하면 전지 전체의 무게가 매우 무거워진다. α선만을 방출하는 초(超)우라늄 원소 중 약간의 방사성 동위원소에서는 방사선에 대한 차폐가 거의 불필요하기 때문에 매우 모양이 작고 가벼운 원자전지를 만들 수 있다.

〈용도〉 핵분열 생성물을 분리하여 얻어지는 스트론튬 90(반감기 28년)을 사용한 전지는 무게가 무겁기 때문에 지상이나 바닷속에서의 용도가 많은데, 예를 들면, 부유표지등대(浮游標識燈臺), 극지(極地)에서의 기상관측용 전원, 인공위성의 송신용 전원, 항공기 유도 비컨(beacon) 및 해중(海中) 비컨 등의 전원으로 이용되고 있다.

초우라늄 원소 중에서 플루토늄 238을 사용한 전지는 모양이 작고 가볍다. 미국의 인공위성 아폴로 12호가 달 표면에 놓고 온 탐사기의 전원도 원자력전지이다. 또 심장 페이스메이커(pacemaker:전기자극으로 심장박동을 계속시키는 장치)의 전원으로서 인체에도 이식되고 있다.