张家骅自70年代起致力于钍基核燃料循环的研究，专心致志思考研究进程中的每一项细节。他自认为这是他回国以来亲自参加的比较称心的研究课题。

　　他认为，一个国家的人均能源消耗是这个国家是否发达的标志。中国煤和石油资源有限，发展核能是必由之路。现在世界各国发展核能所需的核燃料主要是铀。中国铀的资源并不丰富，但钍的资源却有相当储量。中国已探明的稀土资源储量约有30万吨的共生钍，其中有含钍量较高储量不小的独居石。因此，从长远观点来看，实现以钍基作为核能资源将是十分重要的。

　　他从核能工程角度考察，认为钍的物理性能比铀238为好。钍232-铀233组合燃料有可能在慢(热)堆中实现自持式运行，而且可以采用工艺上最为成熟的轻水型反应堆。而以铀238-钚239为组合燃料则只能在快中子反应堆内实现自持或增殖，技术难度较大。

　　使用钍基核燃料有一个众所周知的不利因素，那就是会产生发射高能γ射线的钍228子体。针对这一难题，张家骅及其课题组首先查明钍228的来源：钍232经(n，2n)反应

　　张家骅

　　产生钍231，经β衰变，产生镤231，再经(n，γ)反应产生镤232，经β衰变变成铀232，然后再经过α衰变成为钍228。控制钍228产生的关键在于减少铀232母体的生成。(n，2n)是有域反应，只有通过快中子才有(n，2n)反应。堆中子谱如快中子含量少、铀232产额相对就少。张家骅等通过实验证实了“232U/233U的比值与反应堆中子流中的快中子含量成正比”。因此只要改变反应堆设计参数，减少中子能谱中的快中子含量，就可以有效地控制源于钍228子体的高能γ射线源的产额。

　　张家骅经过分析认为，经过长时间照射以后233U/232Th可以达到一个饱和值。这个值与反应堆参数有关。为此，张家骅等在参考比照已知四种天然放射性核素系所具特性基础上，进行了理论计算，证实在反应堆衍生核素序列达到饱和稳定状态时，这些衍生核素的相对比值保持恒定。他们定名此衍生核素序列为“第五不稳定核素系”。第五核素系的成员数比四个天然核素系成员数要大得多，也庞杂得多。

　　第五不稳定核素系概念有一个重要的应用，就是深度燃耗的问题，由于233U/232Th达到饱和，系统中233U燃料的含量基本上维持恒定，这样使233U的链式反应得以连续进行。233U不断裂变掉，而又源源不断地得到补充。按照他们的计算，这种钍—铀组合燃料实现自持是比较容易的，但实现核燃料的增殖似乎是困难的。

　　钍—铀组合燃料的燃耗可以比铀—钚组合燃料的燃耗深。这是由于铀238产生的钚239产额较少，因此，钍—铀组合燃料可以比铀—钚组合燃料烧的时间长，减少了后处理工作量。

　　这项工作，张家骅在悉尼举行的第九次太平洋地区国际核会议上提供了书面报告。

　　1980年，张家骅被任命为原子核所副所长，1982年任所长，1983年后任名誉所长。任副所长、所长期间，他为辐照保鲜等应用倡议并积极推动建成上海市辐照中心，领导开展了一系列辐照保鲜实验研究工作。他亲自主持了回旋加速器改建方案的审定，主持确定引进一台4MeV质子静电加速器，以开展质子X光荧光分析等核技术应用。他曾提出在原子核所建立一座科学实验用的高通量堆。他关注了2×6MeV串列静电加速器厂房的设计与建造。总之，在所党委领导下，张家骅在制订科研规划、加强所的学术领导、开展国内外学术交流等方面做了他力所能及的工作。