扩散分离是使待分离的气体混合物流入装有扩散膜(分离膜)的装置来得到富集和贫化的两股流的同位素分离方法。基本原理是在分子间的相互碰撞忽略不计的情况下，气体混合物中质量不同的气体分子(例如235UF6和238UF6)的平均热运动速率与其质量二次方根成反比。当气体通过扩散膜时,速率大的轻分子(235UF6)通过的几率比速率小的重分子(238UF6)的大。

对于六氟化铀气体，气体扩散法的理想单级浓缩系数为4.29×10-3。在实际扩散机中,浓缩系数远不能达到理想值，70年代末80年代初，最高水平可达2×10-3。由于气体扩散法的一次分离系数很小，在生产中需要把很多级按一定方式连接成级联。简单串联级联见通过膜后的气体(精料)送入前一级，未通过膜的气体(贫料)送入后一级,铀235逐级加浓。