La membrana di diffusione è anche chiamata"membrana di separazione". Una membrana metallica con una struttura porosa fine. I micropori possono limitare il normale flusso d'aria e consentire il passaggio del flusso di diffusione, quindi la differenza di massa può essere utilizzata per la separazione isotopica. Ad esempio, quando il metodo di diffusione del gas separa gli isotopi di uranio, la membrana di diffusione è per lo più costituita da nichel sinterizzato (vengono utilizzate anche ceramiche o politetrafluoroetilene).
Ci sono centinaia di milioni di micropori per centimetro quadrato della membrana, con un diametro di circa 0,01-0,03 micron. Devono soddisfare i requisiti del processo di separazione e mantenere comunque stabilità, affidabilità e una certa resistenza meccanica nel gas di processo esafluoruro di uranio caldo e corrosivo. Il suo sviluppo è la chiave tecnica principale dell'impianto di diffusione del gas.