本发明提供一种氢同位素分离系统，所述氢同位素分离系统包括原料气罐、流量控制器、第一氢同位素分离装置、第二氢同位素分离装置、气体分析仪、轻组分产品气罐、重组分产品气罐；其中，原料气罐的出气端通过流量控制器分别与第一氢同位素分离装置以及第二氢同位素分离装置的进气端管路连接，第一氢同位素分离装置的出气端与第二氢同位素分离装置的进气端管路连接，第二氢同位素分离装置的出气端分别与轻组分产品气罐以及重组分产品气罐的进气端管路连接，气体分析仪设置在第二氢同位素分离装置的出气端之后。本发明可以解决低温色谱难以实现色谱柱解吸速率的灵活、精确控制，从而在用于去除氢同位素中少量轻组分时分离效果不佳的问题。