Diffusjonsmembran kalles også"separasjonsmembran". En metallmembran med en fin porøs struktur. Mikroporene kan begrense den ordinære luftstrømmen og la diffusjonsstrømmen passere, slik at masseforskjellen kan brukes til isotopseparasjon. For eksempel, når gassdiffusjonsmetoden skiller uranisotoper, er diffusjonsmembranen for det meste laget av sintret nikkel (keramikk eller polytetrafluoretylen brukes også).
Det er hundrevis av millioner mikroporer per kvadratcentimeter av membranen, med en diameter på omtrent 0,01-0,03 mikron. De må oppfylle kravene til separasjonsprosessen, og fortsatt opprettholde stabilitet, pålitelighet og viss mekanisk styrke i den varme og korrosive uranheksafluorid-prosessgassen. Utviklingen er den viktigste tekniske nøkkelen til gassdiffusjonsanlegget.