氦-3等同位素氣體的分離方法主要有氣體擴散、離子交換、氣體離心、蒸餾、電解、電磁、電流等，其中氣體擴散最為成熟。濃縮的使用涉及同位素分離過程，以增加元素的比同位素豐度，例如從天然鈾生產濃縮鈾或從普通水生產重水。

氣體擴散法 ) 這是第一個商業開發的濃縮方法。這一過程取決于不同質量的同位素轉化成氣體時的運動速度差異。在氣體擴散的每個階段，當高壓氣體通過多孔鎳膜時，氣體中的輕分子氣體通過多孔膜壁的速度更快，多孔鎳膜依次安裝在級聯中。這種抽水過程耗電量很大。然后，通過膜管的氣體被泵送至下一級，而膜管中剩余的氣體則返回至下一級進行再循環。在每個階段，濃度比只略有增加。在反應堆級濃縮鈾235需要超過1000級。

氣體離心 ) 在這個過程中，氣體被一系列高速旋轉的圓柱體或離心機壓縮。同位素重分子氣體比輕分子氣體更容易在氣缸壁附近聚集。靠近軸線的富集氣體被出口并送往另一臺離心機進行進一步分離。當氣體通過一系列離心機時，其同位素分子逐漸富集。與氣體擴散法相比，氣體離心法所需的電能要少得多，因此已被大多數新型選礦廠采用。

2022年，中國科學團隊對嫦娥五號月球土壤顆粒中的氦原子進行了檢測和研究，發現月球土壤中的鈦鐵礦顆粒表面有一層非晶玻璃。根據科學研究小組的最新研究，機械研磨法應能在室溫下提取儲存在氣泡中的氦-3，而無需高溫加熱。