最受重视的应用是将热离子核燃料元件直接集成到核反应堆的堆芯中，以便在太空中生产电力。热离子转换器的极高工作温度使它难以在其他应用中得到实际使用，但在需要辐射散热的太空电力应用中，热离子转换器比其他能量转换技术具有决定性的优势。1963年至1973年期间，美国、法国和德国开展了大量的热离子太空反应堆开发项目，1983年至1993年期间，美国恢复了重要的热离子核燃料元件开发计划。1967年至1988年间，前苏联将热离子动力系统与各种核反应堆(贝斯5型、托帕兹)结合使用，作为部分军事监视卫星的电源，更多详情参