技术标准看，放射性同位素热能发电机的设计原理很简单：主要部件是一只坚固的放射性物质(燃料)容器，将热电偶插入容器壁中，每支热电偶的外端连接在散热片，燃料的放射性衰变产生热量，燃料和散热器之间的温差使热电偶产生发电。热电偶是一种利用帕尔帖-塞贝克效应将热能直接转换为电能的热电效应装置。它由两种都能导电的金属(或半导体)制成，如果在一个闭合回路中它们相互连接，并且两个连接点的温度不同，则将会在回路中产生流动电流。通常将大量热电偶串联在一起可产生更高的电压。
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