¿sería posible viajar en un vuelo directo de Japón a Francia, y de Francia a Japón sin poseer ningún pasaporte?
No no puedes
Para Francia, TIMATIC (base de datos documental de las compañías aéreas)
Francia - Pasaporte de destino
Pasaporte obligatorio.
Validez del documento
Los nacionales de Francia pueden entrar con el pasaporte caducado. Se acepta el pasaporte caducado durante un máximo de 5 años.
Podrías entrar con un documento de identidad francés (más fácil de conseguir que un pasaporte), pero no sé si la inmigración de salida japonesa estaría de acuerdo.
Para Japón, se necesita pasaporte de cualquier forma
Lo que yo recomendaría es conseguir un pasaporte japonés y hacer todo el viaje con él. Como son ciudadanos franceses, no se les puede denegar la entrada y no hay riesgo de que se queden más de la cuenta, ni siquiera con un pasaporte japonés, sobre todo porque hay un progenitor francés que puede dar fe de la ciudadanía francesa del niño por descendencia al tener su pasaporte francés.