本发明公开了一种氘氚混合气的分离系统，所述分离系统包括分氘单元、分氚单元及补气单元，其连接关系是分氘单元与分氚单元通过气动阀III连接，补气单元与分氚单元通过气动阀II连接。所述分离方法包括步骤：(a)氘氚混合原料气的输入、(b)氘氚混合原料气在除氘柱和除氚柱之间回流振荡；(c)重复步骤(b)数次、(d)分氘单元中纯氘的输出、(e)分氚单元中纯氚的输出。本发明通过温度控制调节色谱柱的氢同位素效应和气体平衡压，实现氘在除氘色谱柱内富集，氚在除氚色谱柱内富集。本发明氘氚混合气分离方法，利用周期性升、降温实现氘氚混合气在双柱之间多次振荡，获得氘和氚的分离，利用在线微色谱监测分离后氘、氚产品气的纯度。