张家骅刚到所时，先在赵忠尧领导的一室工作，赵忠尧请他设计回旋加速器主体部分。经一年左右，提出了初步设计图。后因决定从前苏联购买回旋加速器，该工作被中止。随后赵请他领导研制电流稳定控制线路。1956年下半年，物理研究所决定成立同位素和核技术应用研究室(即八室)，由张家骅和冯锡璋二人任副主任(无主任)，共同筹建该室。同位素与核技术的推广应用是和平利用原子能的重要方面，在中国尚属空白。为了使这项应用性的科学技术在国内迅速普及，原子能所领导决定立即着手开办放射性同位素应用训练班，由张家骅、冯锡璋共同负责筹办。从1957年到1959年，先后举办了同位素应用知识训练班7期和同位素应用实验技术与仪表维修训练班7期，学员总数超过千人，以后大多成为全国各地同位素和核技术应用的骨干力量。在讲课基础上，由张家骅、冯锡璋为主编写了《放射性同位素应用知识》一书。在讲课与《应用知识》一书中，张家骅负责原子核物理和核探测技术部分。实验技术与仪表维修训练班则完全由张家骅主讲。他讲的课和所写教材，深入浅出，条理清楚，内容精练，学员和读者反映特别好。从八室成立到1962年八室调整到上海原子核研究所以前，张家骅还指导八室青年积极开展同位素和核技术应用研究和推广工作，先后进行过G-M薄窗计数管、胃内窥微型G-M计数管、液体闪烁计数器、测厚仪等放射性仪器的研制。他们还曾经与有关工厂合作进行过纸张、塑料薄膜、电容器铝箔等材料的厚度测量与控制研究，曾到本溪钢铁公司配合厂方建立钴60γ射线高炉壁厚监测仪;协助阳泉煤矿建立炸药线的火药断线射线检查方法等。他在这些工作中为中国同位素应用工作的起步和对青年科技人员的培养成长发挥了重要作用。张家骅是中国同位素应用创始人之一，起到了奠基的作用。

　　1962年由于专业布局的调整，张家骅所在的同位素与核技术应用研究室合并到上海新成立的中国科学院原子核研究所(后更名为中国科学院上海原子核研究所)，成为该所的八室。张家骅愉快地接受了组织上的安排，随室到了上海原子核所，任八室主任。开始时，他主要领导开展同位素应用、核仪器研制和电子静电加速器应用等研究，后又扩大到核辐射应用、放射化学、核分析化学范畴，为原子核研究所的同位素与核技术应用研究奠定了良好、全面的基础。这期间，他曾参与了上海先锋电机厂2MeV电子静电加速器的推广生产、调试和鉴定工作。中国曾支援阿尔巴尼亚一台先锋厂生产的2MeV电子静电加速器，张家骅与八室同志负责为阿方培养了15名留学生，并派人到阿方协助安装调试。

　　可惜好景不长，紧接而来的“文化大革命”，使他基本上丧失了从事科学工作的机会。“文化大革命”十年，正是他年富力强之时，所造成的损失是无法估量的。但他认为这“在漫长的人生道路上毕竟是短暂的，何必耿耿于怀呢?”他庆幸自己还能“为中国的核科学技术的发展再尽绵薄之力!”

　　“四人帮”垮台后，他开始可以参与课题组工作。当时二机部为铀矿和金矿勘探开展了同位素X射线荧光分析工作，需要编写一本这方面的书。张家骅愉快地承担了该书主编任务。这本书花了他很大精力，于1981年由原子能出版社正式出版。

　　恢复工作后，他不顾年事已高和视力严重衰退，抱着强烈的工作欲望，投入到他思虑已久的钍基核燃料循环研究。