氦-3等同位素气体的分离方法主要有气体扩散、离子交换、气体离心、蒸馏、电解、电磁、电流等，其中气体扩散最为成熟。浓缩的使用涉及同位素分离过程，以增加元素的比同位素丰度，例如从天然铀生产浓缩铀或从普通水生产重水。
气体扩散法 ) 这是第一个商业开发的浓缩方法。这一过程取决于不同质量的同位素转化成气体时的运动速度差异。在气体扩散的每个阶段，当高压气体通过多孔镍膜时，气体中的轻分子气体通过多孔膜壁的速度更快，多孔镍膜依次安装在级联中。这种抽水过程耗电量很大。然后，通过膜管的气体被泵送至下一级，而膜管中剩余的气体则返回至下一级进行再循环。在每个阶段，浓度比只略有增加。在反应堆级浓缩铀235需要超过1000级。
气体离心 ) 在这个过程中，气体被一系列高速旋转的圆柱体或离心机压缩。同位素重分子气体比轻分子气体更容易在气缸壁附近聚集。靠近轴线的富集气体被出口并送往另一台离心机进行进一步分离。当气体通过一系列离心机时，其同位素分子逐渐富集。与气体扩散法相比，气体离心法所需的电能要少得多，因此已被大多数新型选矿厂采用。
2022年，中国科学团队对嫦娥五号月球土壤颗粒中的氦原子进行了检测和研究，发现月球土壤中的钛铁矿颗粒表面有一层非晶玻璃。根据科学研究小组的最新研究，机械研磨法应能在室温下提取储存在气泡中的氦-3，而无需高温加热。
