氢同位素分离（hydrogen isotope separation），理学-化学-放射化学与核化学-核聚变化学-聚变反应，从氢同位素混合气体中分离出氘或氚，或从氘、氚中去除氕的过程。相比之下，传统方法有利用氢同位素分子H2、HD、HT、D2、DT及T2的沸点（依次为20.7K、22.1K、23.5K、23.8K、25.0K、25.5K）的微小差异进行低温精馏、利用氢同位素在固体材料中迁移速率差异的色谱类方法、综合利用贮氢材料吸附氢同位素热力学和动力学差异的热循环吸附法以及激光分离、电磁分离等。